高性能超薄In-Ga-Zn-O突触晶体管制备

近年来,二维材料(2D materials)突触晶体管器件由于其维度低、可同时读写操作、效率高等优势,受到了研究者的广泛关注。然而,由于二维材料的工艺兼容性、重复性以及复杂的转移过程,它的实现仍然是一个巨大的挑战。本文采用简单的提拉法工艺,实现了超薄铟镓锌氧化物(In-Ga-Zn-O,IGZO)半导体层(小于8 nm)的突触晶体管,其工作电压低至3 V;并成功地模拟了重要的生物突触行为,包括兴奋性后突触电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)以及突触长程增强(LTP)等。在超薄半导体薄膜条件下,由于缺陷的增强效应和栅电压对超薄半导体层可控性的提高,有效提升了突触器件的记忆保持能力,使其长程性能得到增强。这种改善突触晶体管长程特性的方式,为利用普通材料制作高性能二维突触晶体管提供了一种简单易行的方法。     

多铁性BiFeO_3异质结构在多场作用下物理性质研究

多铁材料BiFeO3不但具有优越的铁电特性,同时由于电、磁、光之间的耦合作用,可以实现电场控制磁化,光照控制电学性质,是研究新型多参量耦合器件的首选材料。文章介绍了作者实验室对铁电材料BiFeO3异质结构的可反转二极管效应和电致电阻效应的研究。在理论研究方面,作者考虑了金属电极的不完全屏蔽效应,提出了极化控制界面肖特基势垒高度模型,解释了金属/铁电结构/金属的可反转二极管效应。在BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3铁电/铁磁异质结构实验研究方面,作者研究了BiFeO3薄膜厚度对体系电学和磁学性质的影响,实现了在光、电双场调控下研究Au/BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3体系的光、电性质,可为以后研究多参量对器件性能的影响提供参考。     

热刺激放电技术在极化聚合物材料研究中的应用

从热刺激放电技术基本原理出发，讨论了极化聚合物材料热刺激电流的基本特性，并根据文献中报道的实验结果，针对极化聚合物材料研究中的一些热点问题（如极性生色团分子的聚向驰豫机制、极化后的物理老化、键合型材料稳定性增强机制等）介绍了热刺激放电技术的应用。     

光电协同增强的场效应对LaAlO_3/SrTiO_3界面中持续光电导的调控

LaAlO_3/SrTiO_3异质结界面体系具有新奇的二维自由电子气现象、暂态光电导效应、持续光电导效应等丰富的光电性质,是近年来科学界研究的热点之一.本文研究了场效应对LaAlO_3/SrTiO_3界面光电导效应的调控,发现光电协同增强的场效应可以使得LaAlO_3/SrTiO_3界面产生显著的持续光电导效应,进一步研究发现:在光电协同效应的影响下,随着负的背栅门电压的增加,持续光电导的数值增大,在-70 V附近达到极值;随着负的背栅门电压处理时间的增加,持续光电导的数值单调增加.LaAlO_3/SrTiO_3异质结中这种场增强的持续光电导效应可为多参数可调的光电子记忆器件的研发提供参考依据.     

氧化物基忆阻型神经突触器件

忆阻器具有高密度、低功耗和阻值能够连续可调的特性,被认为是模拟神经突触最具潜力的候选者.而金属氧化物,因其氧离子可迁移,组分易于调控,与传统CMOS兼容等优点,是发展高性能忆阻器件的理想材料.本文首先介绍了氧化物基忆阻器件阻变行为及其运行机制,包括数字型和模拟型忆阻器.主要综述了基于模拟型忆阻器实现的突触器件认知功能模拟,包括非线性传输特性、时域突触可塑性、经验式学习和联合式学习等.然后进一步介绍了忆阻型突触器件在模式识别、声音定位、柔性可穿戴和光电神经突触方面的潜在应用.最后总结展望氧化物基忆阻神经突触在相关领域的可能发展方向.     

用示波器研究铁电材料的特性

本文介绍了一种用示波器研究铁电材料极化特性的实验方法，给出了定时讨论极化强度和电场强度的具体步骤，进而可测出矫顽力和剩余极化强度。     

基于电路级模型的二维铁电液晶系统结构参数研究

提出将电路级模拟器扩展应用到二维铁电液晶(FLC)的光电混合系统。依照铁电液晶的理论模型建立等效电路,通过调整时序脉冲及驱动源波形,灵活地控制晶胞厚度、面积、粘滞系数、入射偏振角和自发极化强度等典型参数,实现了开关响应特性的动态模拟。比较铁电液晶与扭曲向列型液晶(TN)显示盒的差异。结果表明,该技术方法不仅适用于FLC结构参数指标的优化,而且对于其它集成光学器件的仿真技术研究也是一种有益地探索。     

自发极化强度对VFLC电光迟滞曲线影响的电路级模拟

提出了关于V字型铁电液晶(V-shaped Ferroelectric Liquid Crystal,VFLC)的等效电路模型,旨在将EDA技术引入对VFLC光电集成系统进行研究、开发和设计。该模型考虑了由铁电液晶盒多层结构和驱动电路引起的阻抗分配效应,以及极化与非极化锚定能对VFLC光电响应特性的影响。演示了电光迟滞曲线的反常迟滞、V字型及正常迟滞状态,并着重就自发极化强度对电光迟滞曲线的影响给出了模拟结果和分析。结果表明:强制电压随驱动信号频率的提高而增加,但增加速度随自发极化强度的提高而减慢;强制电压和迟滞反转频率随自发极化强度的变化均存在一个拐点,强制电压在自发极化强度为80nC/cm2时取到最小值(-0.084V),迟滞反转频率在自发极化强度为90nC/cm2时达到最大值(6.4Hz);自发极化强度小于80nC/cm2时,迟滞反转频率随自发极化强度准线性增加。模拟结果从量级和趋势上均与实验结果吻合。     

Au-BiFeO_3纳米复合薄膜的电学和光伏性能优化

存在对称性破缺引起的自极化及通过外界刺激可以改变其极化状态的铁电薄膜,是一类重要的光电功能材料.铁电薄膜的光伏效应在光探测、能量转换和非易失性存储等领域表现出了潜在应用前景.针对铁电薄膜光电流密度较小,且存在退极化现象导致的光伏性能退化问题,有必要寻求提高薄膜自极化的新途径,并对其导电性进行调控,进一步优化铁电薄膜的光伏性能.本文采用溶胶-凝胶法在FTO导电玻璃上沉积了Au纳米粒子弥散分布在铁酸铋(BiFeO_3, BFO)薄膜中的Au-BFO纳米复合薄膜,研究了Au含量(0, 0.25 mol%,0.5 mol%, 1 mol%和3 mol%)与此复合薄膜微观组织、电学和光伏性能的关系,以确定Au的最佳添加量.压电力显微镜的测量结果表明, Au含量为0.5 mol%时, Au-BFO纳米复合薄膜具有较强的自极化现象.随着Au含量的增大, Au-BFO纳米复合薄膜的导电机制由肖特基发射模型转变为空间电荷限制电流.对复合薄膜的光伏性能进行测试,结果表明Au含量为0.5 mol%时, Au-BFO纳米复合薄膜的开路电压和短路电流分别是BFO薄膜的近3和5倍. Au-BFO纳米复合薄膜光伏效应的改善主要来源于复合薄膜的自极化现象增强和导电机制转变.本文提拱了一种简单有效的改善铁电薄膜光伏效应的方法,为进一步理解铁电薄膜的光伏效应提供了新的视角.     

用于铁电体复杂畴结构模拟的布朗方程

铁电材料在室温下具有可以在外加电场作用下改变方向的自发极化,不同方向的极化在材料内部形成畴结构,会对其物理特性和实际应用具有显著影响.本文将最初用于微磁模拟的布朗方程引入铁电材料的大尺度模拟中,研究其中可能出现的重要畴结构.在以有效哈密顿量方法为基础推导出铁电材料中关于电偶极子的布朗方程后,以BaTiO₃,PbTiO₃块体和SrTiO₃/PbTiO₃/SrTiO₃夹心结构等钙钛矿铁电材料为研究对象,验证了布朗方程的有效性并讨论了其中的多种畴结构,如周期性条带状畴、涡旋型拓扑畴结构等,并与相关实验结果进行了对比分析.     

铁电半导体碘硫化锑量子点复合材料及其光学性能的研究

用溶胶-凝胶法成功地制备了铁电半导体碘硫化锑(SbSI)微晶掺杂有机改性的TiO_2薄膜及块状凝胶。铁电SbSI晶体在C轴具有非常大的介电常数,非常高的电-光系数,较大的光电导系数,同时又是一种本征半导体材料。将SbSI掺杂到非晶态的基质中,通过热处理及气氛保护的方法控制微晶的生长。通过X射线衍射光谱与高分辨透射电子显微镜观察到微晶的存在以及晶体尺寸和分布情况。使用简并的四波混频的方法测得了薄膜样品的三阶非线性极化率,并在块状样品中发现了复合材料中存在的电控双折射效应,测得样品的有效电光系数为2.42×10~(-3)nm/V。     

巨磁电阻氧化物光激发下的光电导效应

通过光激发手段 ,我们观测到 (La ,Ca)MnOδ 输运特性的变化 .对于缺氧类薄膜 ,光照使得薄膜的相变温度提高 .而对富氧类薄膜 ,光照后的输运特性变化则相反 .所有光照后的样品特性在室温下几天后都可以驰豫回到原状态 .结果表明 ,这类巨磁电阻氧化物存在非热效应的光电导性质     

铁电材料Pb(Zr_(0.44)Ti_(0.56)Ni_(0.30))O_2的光伏特性

通过对Pb(Zr0.44Ti0.56Ni0.30)O2(PZTNi3O)铁电材料单独掺杂铅后相界宽度的计算获得了铁电材料明显的通断光电流和较大的剩余极化强度,从而得出间接带隙为2.9e V,无栅极偏置电压大,偏置场的增加显著,光电流密度增大为0.1~0.5 m A/cm2。因此,铁电材料在极性相反的极化强度下可以决定开路电压(VOC)和短路电流(Isc),这一特性为非中心对称的铁电材料对可见光敏感的极性向前迈进了一步。     

四方相多铁BiMnO_3电控磁性的理论研究

钙钛矿结构BiMnO_3作为同时具有铁电性与铁磁性的多铁材料,在人工神经网络方面可以作为一种潜在的人工突触材料,从而设计出新型多铁人工突触器件.本文使用第一性原理计算的方法,分别研究了四方相BiMnO_3在xy面内施加0.18%与4%应力条件下的铁电情况,以及Mn原子磁矩随着铁电极化强度变化的曲线.结果表明,在四方相多铁BiMnO_3中,Mn原子磁矩会随着极化强度的增强而增大,表示其铁磁性可以在一定程度上由其铁电极化来进行调控,并且应力越大,其磁矩变化范围就越大.这一结果使得多铁BiMnO_3在人工突触器件设计方面拥有潜在的应用价值,多铁性使其在作为人工突触器件材料中具有更多可调控的自由度,从而可用于模拟多突触连接.这可为将来构造类脑芯片打下一定的理论基础.     

分散橙3掺杂聚合物薄膜的全光极化特性及其驰豫过程研究

利用旋涂法制备了分散橙3(DO3)/PMMA主客体掺杂薄膜,对其吸收谱、厚度和折射率进行了测量,并采用全光极化的方法对薄膜的二阶非线性光学特性进行了研究.实验结果表明,随着厚度的增加其二阶非线性先增强后减弱,d33最大值约为0.827×10~(-2) pm/V.对极化饱和后的驰豫情况进行了分析,发现不同厚度薄膜的驰豫时间不同,这是由于薄膜中偶氮含量和厚度的不同,分子间的相互作用对顺反异构逆过程的快慢有较大的影响.     

SiC纳米杆的弛豫性能研究

采用Tersoff势对SiC驰豫性能进行了分子动力学模拟.模拟了SiC在驰豫过程中的动态平衡变化过程，研究了表面效应和小尺寸效应对原子位置，原子能量分布的影响.模拟结果表明，SiC纳米杆受表面效应和小尺寸效应的影响很大，在不加外载和约束的情况下，出现了不同于宏观SiC杆的弯扭屈伸现象，最终形成了带有一定扭转弯曲量、总能量达到最低的稳定状态. 关键词： SiC纳米杆 分子动力学 表面效应 小尺寸效应     

二维材料/铁电异质结构的研究进展

二维材料是一类具有原子层厚度的层状材料,拥有独特的电学、磁学、光学和力学性能.以石墨烯和过渡金属硫族化合物为代表的二维材料展现出迁移率高、能带可调、可见光透过率高等特点,是近年来微纳科学领域的前沿热点.将二维材料与各种功能材料,如SiO_2绝缘体、半导体、金属、有机化合物等结合,可以深化和拓宽二维材料的基础研究和应用.其中,铁电材料因具有自发极化、高介电常数、高压电系数等优点吸引了众多研究者的目光.二维/铁电复合材料很好地兼顾了二者的优点,不仅包含了磁电耦合效应、铁电场效应、晶格应变效应、隧穿效应、光电效应、光致发光效应等丰富的物理现象,而且在多态存储器、隧穿晶体管、光电二极管、太阳能电池、超级电容器、热释电红外探测器等器件中有广阔的应用前景,引起了学术界的广泛关注.本文选取典型的二维/铁电复合材料,重点介绍了这类材料界面处的物理机制、材料的性能以及应用前景,并对二维/铁电复合材料的研究进行了展望.     

级联三能级系统中高阶非线性效应的研究

本文采用二阶相干函数理论研究了级联三能级系统中三阶及五阶极化拍频(TPBCTS及FPBCTS)的非线性效应.通过对泵浦光为宽带及窄带情形的分析,我们发现三阶及五阶极化拍频信号的强度在时域内的变化取决于激光的统计特性和跃迁的横向驰豫率,从而在测量原子能级分裂时可以得到消除多普勒极限增宽的精度.另外,我们对信号的空间调制也进行了分析.     

Si掺杂HfO_2薄膜的铁电和反铁电性质

通过改变Si掺杂量制备出了具有显著铁电和反铁电特征的HfO2纳米薄膜,对其电滞回线、电容-电压和漏电流-电压特性以及物相温度稳定性进行了对比研究.反铁电薄膜的介电系数大于铁电薄膜,在电场加载和减载过程中发生的可逆反铁电-铁电相变导致了双电滞回线的出现,在室温至185℃的测试温度范围内未出现反铁电→顺电相变.在电流-电压特性测量时观察到的负微分电阻效应归因于极化弛豫等慢响应机理的贡献.     

相场模拟应变调控PbZr_((1–x))Ti_xO_3薄膜微观畴结构和宏观铁电性能

外延生长铁电薄膜中基底失配应变能够调控微观铁电畴结构和宏观铁电性能.本文选择了三种相结构(四方相、四方和菱方混合相、菱方相) PbZr_((1–x))Ti_xO_3 (x=0.8, 0.48, 0.2)铁电薄膜,利用相场模拟研究了在不同基底失配应变(esub)作用下,三种成分铁电薄膜中微观畴结构的演化以及宏观极化-电场回线.随着应变从–1.0%变化到1.0%,三种相结构铁电薄膜的矫顽场、饱和极化值以及剩余极化值全都降低,其中PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3薄膜的饱和极化值和剩余极化值比另外两种薄膜降低更快.模拟结果表明拉应变能提高铁电薄膜储能效率,其中准同型相界处应变提升储能效率最快.本工作揭示了应变对PbZr_((1–x))Ti_xO_3铁电薄膜中畴结构、电滞回线以及储能等方面的影响,为铁电功能薄膜材料的实验设计提供了理论基础.