低维铁电复合氧化物光电特性及相变规律的外场调控研究

The investigations of low dimensional materials fabrication and its optical, electrical, magnetical properties play an important role in the development and miniaturization of opto-electric devices. In this proposal, the low-dimensional perovskite ferroelectric oxides (bismuth ferrite, lead zirconate titanate, and its composite, doped species) will be selected as research target. The low dimensional ferroelectric materials will be prepared by physical or chemical vapor deposition. With the aid of microstructure characterization, electrical and magnetic testing and solid state spectroscopy, the magnetic, dielectric, piezoelectric property and optical band gap will be discussed systematically under external field (temperature and electric field). Based on the analysis on the magnetization, dielectric constant, dielectric loss, piezoelectric coefficient, the studies focus on the interface, strain and microstructure regulatory mechanism on the electrical and magnetic properties. Furthermore, the fabrication process will be optimized and the dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties will be improved. The Raman scattering and photoluminescence spectroscopy will be carried out to study the lattice dynamics and interband transition in the evolution of phase transformation. Then the phonon behavior and electronic band structure will be discussed. Combined with the electrical properties, the effect of size, interface and microstructure on the electrical and optical properties will be analyzed and explained comparatively. Our research results will provide an experimental evidence and theoretical support for the design and optimization of devices based on low dimensional ferroelectric oxides.

低维铁电材料的制备与其光学、电学和磁学基本物理特性研究是促进新型光电器件发展以及微型化和产业化的基础。本项目以低维钙钛矿型铁电氧化物(铁酸铋、锆钛酸铅及其复合和掺杂材料)作为研究体系。采用物理和化学气相沉积方法制备低维铁电材料，通过微结构表征、综合电学及磁学测试和凝聚态光谱技术，系统研究材料的磁性能、介电与压电特性和光学带隙与外场(温度、电场)的依赖关系。通过分析磁化强度、介电常数、介电损耗和压电系数等，探究界面、应力和微结构对其电学和磁学性质的调控，并进一步改进制备技术，改善铁电材料的介电、铁电和压电性能。采用拉曼散射和光致发光光谱技术分析材料的晶格振动，光电跃迁等在相变过程中的演化规律，研究其声子行为和电子能带结构。结合电学结果，对比分析尺寸效应、界面效应和微结构变化对宏观光电性质的影响并给出合理物理解释。这为基于低维铁电氧化物的器件设计和性能优化提供实验依据和理论支持。

对低维铁电材料的基本物理特性研究是推动传感器、换能器等器件发展和产业化的基础。本项目一方面系统研究了弛豫铁电薄膜铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-0.3PT)、Mn掺杂钛酸铋钠-钛酸钡(Mn-BNBT)的制备及结构和电学性质分析。外延PMN-0.3PT薄膜具有良好的饱和电滞回线，剩余极化强度高达30 μC/cm2，对应矫顽场为11 kV/mm。同时，该薄膜表现出优异的局部压电响应和原位电场诱导的畴翻转行为。考虑到铅对环境的危害，进一步研究了有应用潜力的无铅薄膜Mn-BNBT。重点研究揭示了氧分压对薄膜结构及电性能的影响规律，特别是当氧分压为25 Pa时，获得了性能良好且能与硅基集成的无铅弛豫铁电薄膜，平均剩余极化强度为27 μC/cm2，矫顽场为5.7 kV/mm，相对介电常数高达1295。PFM的结果表明薄膜具有良好的局部压电响应及多畴态。另一方面，采用凝聚态光谱研究了BNT基铁电陶瓷的晶格振动、带间跃迁随温度的演变规律。采用Tauc-Lorentz模型分析BNBSTx的介电函数，发现随着SrTiO3组分增加，BNBSTx的带隙和温度变化系数均增加。通过与Bi和Ti局部声子振动相关的模式在退极化温度和介电常数最大值附近出现极值，证明了其结构性相变。对PZT基陶瓷介电函数分析时，对比粗糙层对材料介电函数的影响，并采用标准临界点模型得到其带间跃迁能量。根据带间跃迁能量随温度的变化和前期电学测试分析，讨论其相变机制。同时我们对新型无铅NBT-8KBT和Mn掺杂NBT-8KBT单晶的折射率、消光系数和透过率进行表征。结果表明，晶体在可见光区域具有高透射率。与纯NBT-8KBT相比，Mn掺杂NBT-8KBT单晶在可见光区域折射率降低，吸收边有100 nm的红移。另外，采用静电纺丝的方法制备了Er3+掺杂钛酸钡纳米纤维，变温的荧光光谱显示其在铁电-顺电相变温度附近，发光强度增强，表明了压电/发光的耦合效应。这些研究有助于加深对该材料基本光电物性的认识和理解，为其器件设计和性能改善提供依据。