半导体异质界面对钙钛矿铁电薄膜极化开关特性的影响

In recent years, heterostructures based on perovskite ferroelectrics have attracted great interests for the novel electric, magnetic, acoustic, and optical properties. Here we plan to fabricate and study ferroelectric/semiconductor heterostructures, since semiconductor is the most commonly used base material in the integration process. In addition to the electric properties such as dc and ac conductivity, the in-plane and out-of-plane polarization switching, the domain pattern, and the corresponding thickness and temperature effects would be carefully investigated. By comparison with experiments on conducting substrates, the intrinsic impact of the semiconducting interface on the polarization switching would be explored. The mechanism provided here would be valuable for the design and application of functional materials.

近年来，钙钛矿铁电薄膜和其他材料形成的异质复合体系因新颖的电、磁、声、光性能而吸引了人们的兴趣。由于半导体是集成工艺中的重要基础材料，本项目计划研究钙钛矿铁电薄膜和常见半导体材料形成的异质结构。除了考察其基本电学性能之外，重点关注外电场下铁电薄膜面外和面内极化开关特性，微观畴结构的演化，以及相应的厚度和温度效应，通过与导电衬底上的对比研究，揭示具有特殊载流子迁移特性的半导体界面对铁电极化开关的特征性影响及内在物理机制。为铁电薄膜/半导体异质结构的设计和应用提供重要的理论参考。

钙钛矿铁电材料在压电、介电、光电等领域有着广泛应用背景，相关异质结构还呈现磁电互控、电致阻变等多种新颖性能。但铁电材料与半导体基底间常有缓冲层，增加了工艺复杂度而降低了器件集成度。本项目聚焦半导体衬底上铁电薄膜的极化开关特性，主要成果包括：（1）发现扫描探针施加的电场能有效调控外延BiFeO3薄膜中的局域畴结构和极化取向，荷电缺陷类型和分布则决定了铁电畴壁的电导特性。（2）理论计算显示，LiNbO3极性表面吸附物提供的电荷对铁电极化的稳定起着首要作用，LiNbO3/石墨烯异质结构中的电荷转移既能改变铁电极化态，也能影响半导体中的载流子分布。（3）Bi0.8La0.2FeO3/p-Si结构呈现特殊的极化-电压回线形态，可以基于极化开关、界面pn势垒变化以及载流子、荷电缺陷的迁移合理解释。（4）n-Si衬底上不同Bi/Fe比例BiFeO3基薄膜中具有不同的荷电缺陷类型和浓度，在界面势垒的帮助下，热处理能够实现对样品中荷电缺陷分布及迁移特性的可逆调控，进而改变极化开关行为。上述工作揭示了铁电薄膜和半导体材料之间相互作用的内在机制，对推动集成铁电器件在信息与能源等领域的应用有重要价值。项目执行期间在Natl. Sci. Rev.、Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.等刊物发表SCI论文19篇，其中通讯作者18篇。

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