不同取向ZnO/铁电外延异质结的界面和电学耦合性质

It is hopeful to integrate the superior optical and electrical properties of semiconductors together with the strong polarization of ferroelectrics by using the semiconductor/ferroelectric heterostructures, which provides a powerful method of new multifunctional devices. However, it is unclear about the response of semiconductor/ferroelectric heterointerface charge, defects and polarization to external electric field, so does the effect of such interface characteristics on the electrical coupling properties. The semiconductor/ferroelectric heterostructure with different orientations induces polarization coupling types of various strength, studying the interface characteristics and electrical properties of which helps to clarify the influence mechanism of ferroelectric polarization on the electrical properties of such system. Based on the previous work on the growth, interface bonding and band alignment in semiconductor/ferroelectric heterostructures, in this project, we will grow different epitaxial oriented ZnO/ferroelectric (SrTiO3 or BaTiO3) heterostructures with high crystal and interface quality by optimizing the growth condition of pulsed laser deposition and laser molecular beam epitaxy techenique, study the interface characteristics in response to external electric field and electrical coupling properties, explore their influence factors and laws, and reveal the underlying physical mechanisms. The proposed research will provide a material foundation and experimental basis for promoting the application of semiconductor/ferroelectric heterostructure.

半导体/铁电异质结有望综合利用半导体优异的光学和电学性质与铁电材料的强极化性能，进而实现新型多功能器件。然而，半导体/铁电异质结界面电荷、界面缺陷和界面极化等特性在外电场作用下的响应，以及其对异质结体系电学耦合性能的影响还不清楚。使用不同取向半导体/铁电异质结可以分别得到强度各异的极化耦合类型，研究其界面及电学特性有助于进一步认识铁电极化对异质结体系电学性能的影响机制。本项目拟在过去对半导体/铁电外延异质结生长、界面成键和能带排列等的研究基础上，采用脉冲激光沉积和激光分子束外延技术，通过优化生长条件获得高晶体质量和界面质量的不同取向ZnO/铁电（SrTiO3或BaTiO3）外延异质结，研究其界面特性在外电场作用下的响应和电学耦合性质，探索其影响因素及规律，并揭示其内在物理机制。这些研究将为推动半导体/铁电异质结的应用提供材料基础和实验依据。

研究了在不同取向Nb:SrTiO3衬底上生长的ZnO和BaTiO3及Pb(Zr,Ti)O3外延异质结的电学性能，并揭示了双极性阻变效应和负微分电阻效应的影响因素和物理机制。ZnO/(100)Nb:SrTiO3外延异质结在小电压作用下显示整流特性，而较大电压作用下显示典型的双极性电致阻变和负微分电阻现象。随着正向施加偏压的增大，双极性阻变效应越来越显著，并逐渐出现负微分电阻。根据高低频电容-电压测试，确定了ZnO/(100)Nb:SrTiO3异质结界面存在高密度施主型界面态，并计算得到了相应的界面态密度，该界面态充放电引起空间电荷区宽度变化，这对双极性电致阻变和负微分电阻现象起着重要作用。BaTiO3/(100)Nb:SrTiO3外延异质结具有显著的极化相关的铁电阻变效应，即向上的极化对应高阻态，而向下的极化对应低阻态，并且电阻态是连续变化的。铁电极化引起的能带弯曲可以用于理解上述铁电阻变效应。BaTiO3/(111)NSTO外延异质结在较小电压下具有典型的整流效应，而在较大正向电压和限制电流情况下，出现负微分电阻现象，并且高低电阻态阻值都受到施加电压和限制电流的控制。这一结果可由Pt/ BaTiO3界面氧空位束缚/释放电子来理解。类似的，多晶BaTiO3薄膜在小电压下显示整流特性，在较大电压下呈现双极性阻变和负微分电阻现象。更进一步，当不施加正向偏压时，仅有阻变现象，负微分电阻现象消失，而当正向偏压增大时阻变和负微分电阻现象都会增强。Au/BTO界面处界面态电子的俘获/去俘获可以用来理解上述行为。PZT/(100)NSTO外延异质结在较小电压（<3 V）下显示整流特性，中等电压（3-8 V）下显示反常的双极性阻变，较大电压（>8 V）下显示正常的双极性阻变行为。这与压力显微镜测试观察到的小电压（<8 V）下具有多畴结构，而大电压（>8 V）下呈现单畴结构密切相关。.在本项目的资助下，共发表SCI论文12篇；参加国内会议4次，1次口头报告；帮助培养硕士研究生10名，圆满完成项目当初设定目标。