人工合成二维铁电金属

自从Anderson和Blount提出钙钛矿“铁电金属”以来,人们在研究其物理机制和设计新的铁电金属方面做出了很大努力。由于金属中的净电场可以被自由电子完全屏蔽,因此铁电性与金属性在体相中不能共存。然而,众多研究表明低维材料具有许多与体相材料相悖的奇异特性和新颖的量子态。研究团队提出通过施加一个强的极化场,以铁电/单层氧化物金属超晶格的形式人工合成铁电金属。这样,原子层级氧化物导电层的对称性可以被邻近的极化场打破和操纵,从而形成二维“铁电金属”。     

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.     

二维层间滑移铁电研究进展

近年来有一系列二维范德瓦耳斯材料铁电性被实验证实,层间滑移铁电体是其中重要的一类,该机制是传统铁电所没有,而很多二维材料普遍具有的.本文回顾了相关研究,介绍了这种铁电的起源:不少二维材料双层中上下两层并不对等,造成净层间垂直电荷转移,而层间滑移使该垂直铁电极化得以翻转.这种独特的滑移铁电可广泛存在于范德瓦耳斯双层、多层乃至体相结构中,层间滑移势垒较传统铁电低几个数量级,有望极大节约铁电翻转所需的能量.目前这种滑移铁电机制已在WTe₂和b-InSe双层/多层体系得到实验证实,不少预期极化更高的滑移铁电体系(如BN)也有望在近期实现.     

钙钛矿型铁电氧化物表面结构与功能的控制及其潜在应用

钙钛矿型铁电氧化物由于具有本征的、非易失的、可翻转的自发极化以及带有高电荷密度的极性表面等特性,被认为是最有前途的功能材料之一.研究钙钛矿型铁电氧化物的表面结构对理解其表面/界面能量转化、调控表面物质吸附和脱附、控制界面化学反应、以及设计稳定的低功耗电子器件具有重要意义.本文首先概述了铁电相与其表面结构的关系,并介绍了钙钛矿型铁电氧化物复杂表面结构的形成;之后阐述了铁电表面/界面结构的调控机制,为后续的钙钛矿型铁电氧化物的表面结构设计、表面性能与功能的控制提供了研究基础;最后介绍了铁电氧化物表面/界面的功能调控和潜在器件的设计,并结合目前铁电材料领域表面科学研究的局限性,对今后基于钙钛矿型铁电氧化物表面结构的研究发展以及应用前景提出了展望.     

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。     

基于环丁烯-1,2-二羧酸分子的二维有机铁电分子晶体单层的设计与理论研究

有机分子铁电材料相较于传统无机铁电材料具有轻质、柔性、不含重金属原子和成本低等诸多优点,长期以来得到了广泛的关注和研究.近年来,原子厚度的二维无机铁电材料的研究取得了突破性进展,因而备受关注,然而二维有机铁电材料的设计与研究却鲜有报道.本文基于密度泛函理论方法设计了一种以环丁烯-1,2-二羧酸(cyclobutene-1,2-dicarboxylic acid, CBDC)分子为结构单元的二维单层有机铁电分子晶体.由于CBDC分子晶体内部氢键的链状排布,导致其块体呈现出明显的层状结构,计算发现内部的氢键链使得CBDC分子晶体块体具有各向异性的剥离能,因此有望由沿着剥离能最低的(102)晶面进行机械/化学剥离而获得相应的单层有机铁电分子晶体.理论计算预测CBDC (102)分子晶体单层的面内自发极化约0.39×10–6μC/cm,可与部分无机同类相比拟.计算表明CBDC (102)分子晶体单层具有较高的极化反转势垒,且对外加单轴应力的响应较为敏感. CBDC (102)单层有机铁电分子晶体的高面内自发极化以及易被界面调控的极化反转势垒使其可被应用于轻质无金属及柔性铁电器件.     

钙钛矿反铁电氧化物的研究进展

反铁电材料,因其电场诱导的反铁电–铁电相变行为,而在当代电子技术中有着潜在的应用价值。然而,自然界中存在的反铁电材料是相当稀缺的,人们对它的认识与理解有限,其亚晶格极化、有序结构、局域结构及其对性能的影响依然是目前学术争辩的热点话题。为应对全球日益剧增的大气污染状况和人类健康所面临的潜在威胁,"环境友好"的无铅材料已然成为近些年来全球科学家与工程师们关注的焦点。本文介绍了"反铁电"的概念、定义、结构与电学性质特点以及反铁电体的应用。综述了自1951年"反铁电"概念被提出以来,人们在钙钛矿结构中陆续发现的反铁电氧化物及其晶体结构和电学性质的研究进展,从晶格动力学角度对钙钛矿氧化物反铁电性起源问题做了评论。期望通过微观结构设计的角度为无铅反铁电材料的开发提供新的思路。     

直流偏压对压力诱导反铁电陶瓷去极化性能的影响

采用掺铌的锆钛锡酸铅（PNZST）反铁电陶瓷作为研究对象,研究了不同的直流电场作用下,等静压力诱导极化态反铁电陶瓷发生去极化过程（同时发生铁电/反铁电相变）的规律.当极化态样品两端电场强度为6 kV/cm时,去极化压力为128.8 MPa;当极化态样品两端电场强度为-6 kV/cm时,去极化压力为74.2 MPa.在与极化电场方向相反的外加电场作用下极化态样品具有较小的去极化压力.讨论了外加直流电场影响极化态反铁电陶瓷去极化压力的内在机理.得到了不同外置电场下的去极化压力,并绘制了该材料的外加直流电场（< 关键词： 去极化 反铁电体 相变     

用横场伊辛模型研究应力对铁电薄膜的热力学性质的影响

用横场伊辛模型研究了铁电薄膜的热力学性质.在体系的哈密顿量中引入一个两维的在平面内的应力，并假设应力从基底材料和薄膜材料之间的界面层到薄膜的表面层是呈指数形式衰减的.结果显示：压应力有利于极化，使居里温度向高温区移动，而张应力对极化和居里温度的影响正好相反.扩散长度对铁电薄膜的热力学性质有很大的影响. 关键词： 铁电薄膜 应力 横场伊辛模型     

铋层化合物Sr1+xBi4-xTi4-xTaxO15(x=0—1)陶瓷的介电和铁电特性

研究了铋层化合物Sr1+xBi4-xTi4-xTaxO15(x=0—1)陶瓷的介电和铁电特性.研究发现随着x值的增大,材料的居里点由540℃降到30℃左右,但材料始终具有铁电性.对于SrBi4Ti4O15陶瓷施加120kVcm的电场仍无法得到饱和的回线,此时的剩余极化和矫顽场分别约为7μCcm2和73kVcm.对于x=04—05的材料由于它们同时具有较高的居里温度300℃—360℃,较大的剩余极化7—8μCcm2和较小的矫顽场37—47kVcm,因此是一类性能较为优良的铁电材料. 关键词： 居里温度 剩余极化 矫顽场     

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。     

存储器用铁电薄膜及电极材料的研究

铁电体独特的自发电极化双稳性质和非线性光学性质使其在光电子器件中得到广泛应用．为了实现器件的小型化和与微电子、光电子工艺兼容，铁电薄膜已成为一个研究热点．自发电极化的大小和取向以及外电场、缺陷和铁电薄膜／电极界面与自发电极化的交互作用决定了铁电薄膜的性质和服役行为．文章以铁电存储器和光电子器件应用为背景，选择了具有重大应用前景的Bi4-xLaxTi3O12（BLT）、SrBi2Ta2O9（SBT）、PbZrxTi1-xO3（PET）和LiNbO3（LN）铁电薄膜以及相关的La（Sr，Co）O3（LSCO）和LaNiO3（LNO）等电极材料为研究对象，研究了缺陷电荷和电畴的交互作用和它们在交变外电场中的动力学行为，探明了铁电薄膜疲劳现象的物理本质；从晶格结构与缺陷的观察研究入手，探索了材料铁电性质的起源和优化材料铁电性质的途径；从铁电薄膜／电极界面结构与性质的研究入手，寻找更有效、更稳定的电极材料与结构，从而为器件应用打下了基础；在研究外电场对铁电薄膜生长机制影响的基础上，找到了利用外电场调控铁电薄膜结构的新途径，发展了新的、与半导体器件和光电子器件工艺兼容的制膜方法．     

二维铁电材料α-In2Se3 表面分子束外延生长Pb 纳米岛的STM 研究

铁电材料拥有自发电极化, 不同的极化方向会对异质结的电子结构产生可逆的和非易失性的影响. 本工作采用分子束外延技术在二维铁电材料α-In2Se3 衬底上成功制备了 Pb 纳米岛构建 Pb/α-In2Se3 超导铁电异质结,并通过扫描隧道显微镜表征了其表面原子结构与电子结构. 进一步的扫描隧道谱测量显示不同层厚 Pb 岛的量子阱态消失, 并且我们在4.5 K 的温度下没有观察到超导能隙, 表明铁电衬底会影响 Pb 岛的电子结构, 甚至其超导特性. 这些发现为理解铁电衬底对超导性的影响提供了参考, 并为调控低维量子材料中的电子结构及超导性提供了新的思路.     

铁电双层膜的反转动力学行为

基于Landau-Khalatnikov运动方程,本文研究了含有表面过渡层和铁电界面耦合的反转动力学行为(包括平均极化、反转时间、反转电流和矫顽场).研究结果表明:在铁电双层膜系统中存在一个竞争的机理,即表面过渡层与界面耦合的竞争作用.我们发现在双层膜反转过程中出现了反常行为,这些反常行为归因于表面过渡层与界面耦合之间的竞争.表面过渡层与界面耦合的共同行为对铁电双层膜的动力学特性起到了决定性的作用.     

钙钛矿铁电半导体的光催化研究现状及其展望

钙钛矿材料可以分为ABO_3氧化物和或I)卤化物两大类,它们都具有丰富的物理性质和优异的光电性能,比如铁电性和光催化性能.本文介绍了和等铁电半导体光催化材料和异质结的制备方法,总结了它们在光电催化方面的研究进展.目前研究者已经针对氧化物光催化材料做了各种研究,包括:降低吸光层铁电材料的带隙,制备铁电/窄带半导体吸光层异质结,制备比表面积很大的纳米片、纳米棒或者其他纳米结构,以便吸收更多可见光;让铁电极化及其退极化场垂直于光催化工作电极表面,通过铁电/半导体异质结能带弯曲提供内电场,通过外电场进行光电催化,从而通过内、外电场高效分离光生-电子空穴对;通过光催化或者光电催化降解染料、分解水制氢、将CO2转换为燃料;通过铁电、热释电和压电协同效应提高催化效应和能量转换效率等卤素钙钛矿具有优异的半导体性质,其铁电性可能是引起超长的少数载流子寿命和载流子扩散长度的原因.通过优化光催化多层膜结构并添加防止电解液渗透的封装层可以避免被电解液分解,从而制备了具有很高能量转换效率的光电催化结构.最后,我们分析和比较了这些钙钛矿铁电半导体在光电催化领域面临的挑战,并展望了其应用前景.     

掺镧锆锡钛酸铅陶瓷极化强度变化量对电子发射电流强度的影响

铁电阴极因其优异的电子发射性能在高功率微波管的电子束源、平板显示技术以及宇航推进器等领域 有着广阔应用前景而日益受到人们的重视.大量研究表明,铁电阴极电子发射性能受阴极材料性能的影响. 在激励电场作用下,铁电阴极材料会产生表面非屏蔽电荷而引起极化强度的变化, 这表明铁电阴极电子发射性能可能与阴极材料的极化强度变化量存在着某种关系. 为研究阴极材料极化强度变化量对铁电阴极电子发射性能的影响,以掺镧锆锡钛酸铅铁电和反铁电陶瓷样品 作为阴极材料,通过正半周电滞回线测试得到阴极材料在不同电场强度下的极化强度变化量, 测量得到电子发射电流强度随激励电场的变化曲线,并分析了电子发射电流强度与极化强度变化量的关系. 结果表明,两种样品电子发射电流强度与极化强度变化量正相关.     

铁电薄膜底电极对薄膜结构与电性能的影响

研究了电极材料（Ｐｔ／Ｔｉ）对铁电ＰＬＺＴ（７．５／６５／３５）陶瓷薄膜结构和性能的影响．认为在Ｐｔ层厚度一定时，Ｔｉ层的厚度对铁电薄膜的结构和性能有显著影响．当Ｔｉ层过厚或过薄时，铁电薄膜的结构较差；而当Ｔｉ层的厚度适中时，则铁电薄膜的显向下微结构均匀，电性能较好，典型的剩余极化强度和矫顽场分别为２７．８μＣ·ｃｍ^-2和６５．１ｋＶ·ｃｍ^-1． 关键词：     

铁电材料Pb（Zr0．44Ti0．56Ni0．3O）O2的光伏特性

通过对Pb（Zr0．44Ti0．56Ni0．3O）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2．9eV,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 mV/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。     

存储器用铁电薄膜及电极材料的研究

铁电体独特的自发电极化双稳性质和非线性光学性质使其在光电子器件中得到广泛应用.为了实现器件的小型化和与微电子、光电子工艺兼容,铁电薄膜已成为一个研究热点.自发电极化的大小和取向以及外电场、缺陷和铁电薄膜/电极界面与自发电极化的交互作用决定了铁电薄膜的性质和服役行为.文章以铁电存储器和光电子器件应用为背景,选择了具有重大应用前景的Bi4-xLaxTi3O12（BLT）、SrBi2Ta2O9（SBT）、PbZrxTi1-xO3（PZT）和LiNbO3(LN)铁电薄膜以及相关的 La(Sr,Co)O3 (LSCO) 和LaNiO3(LNO)等电极材料为研究对象,研究了缺陷电荷和电畴的交互作用和它们在交变外电场中的动力学行为,探明了铁电薄膜疲劳现象的物理本质;从晶格结构与缺陷的观察研究入手,探索了材料铁电性质的起源和优化材料铁电性质的途径;从铁电薄膜/电极界面结构与性质的研究入手,寻找更有效、更稳定的电极材料与结构,从而为器件应用打下了基础;在研究外电场对铁电薄膜生长机制影响的基础上,找到了利用外电场调控铁电薄膜结构的新途径,发展了新的、与半导体器件和光电子器件工艺兼容的制膜方法.     

多铁性BiFeO3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/La_0.7Sr_0.3MnO₃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/La_0.7Sr_0.3MnO₃/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。