畴对单相多铁-锰氧化物异质结中光电特性的影响

The interface quantum states and quantum processes in complex oxide heterostructures represent the research topic in material physics and condensed matter physics, which are important for quantum control and new device applications. In this project, the heterostructures consisting of the single-phase multiferroic material BiFeO3 and magnetoresistance material manganites will be fabricated. In order to reveal the photo-induced effects on the interface charge order and spin order, the optical-electrical properties such as photovaltic effect, photoconductivity and ultrafast optical responses et al will be investigated, and thus a new idea about the optical control paths of the physical properties is proposed. Moreover, the role of domain on the optical-electrical properties in the heterostructures will be also investigated, which indicates the other idea that the optical-electrical properties could be modified by domain engineering.

复杂氧化物异质结中界面量子态和量子过程的研究是当前材料物理和凝聚态物理的前沿热点，在量子调控和开发多功能新器件等方面具有重要意义。本课题以单相多铁材料BiFeO3和磁电阻材料锰氧化物为基础，外延生长不同组合的异质结，通过异质结中光伏效应、光电导效应及超快光响应等光电特性的研究，揭示光场对界面电荷序和自旋序的影响规律和机制，提出了光场诱导和调控其物性的新想法；从畴工程的角度出发，通过研究不同畴结构对异质结光电特性的影响，揭示畴结构对异质结光电特性的影响机理，提出了畴结构的人工调控来改善和调控异质结光电性能的新想法。

过渡族金属氧化物薄膜及其异质结可控生长及其与光/电场的耦合作用是当前材料物理和凝聚态物理的研究热点。本课题研究了钙钛矿结构铁电薄膜及其与磁电阻材料锰氧化物构建异质结构的生长、畴结构及光电特性研究。通过本课题的研究，我们在异质结中发现了一些有意思的实验结果，弄清了光诱导异质结电学性能变化的物理机制，初步探讨了畴结构在影响薄膜及其异质结光电性质方面上的重要作用。按照课题申请的研究内容，目标和年度计划进行，完成了项目的预期目标。具体有：1. 完善了现有的样品制备手段，优化了过渡族金属氧化物薄膜及其异质结的制备工艺，系统研究工艺参数与结构/性能的关系，特别是如何控制生长具有特定畴结构的薄膜，为开展精细结构调控，物性测量和制备人工微结构等进一步工作打下基础。2. 开展了精细异质结构的调控研究工作，分别研究了BiFeO3基和BaTiO3基与磁电阻材料La0.7Sr0.3MnO3构建异质结后的光电特性。在BiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3异质结中观察到了明显的光伏效应，并且短路电流和开路电压可以随电极化的翻转而转向。在Ba0.6Sr0.4TiO3/La0.7Sr0.3MnO3异质结中观察到了明显的光电容效应，并且光电容随温度出现正值到负值间的过渡。在Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3/ La0.7Sr0.3MnO3异质结中，发现其生长模式、畴结构和压电性不仅与基底的种类有关，而且与基底的晶体取向有很大的关系，通过合适的参数控制，其有效压电系数可以达到100.1±5pm/V。探索了光调控异质结构的物理性能的原理/途径和技术路线，以及讨论了畴结构在强化这种调控作用的可能性。3. 初步探索了与异质结光电测试相容的钙钛矿结构透明导电氧化物薄膜材料制备与工艺优化，在La掺杂的BaSnO3薄膜获得了优异的透明性，导电性以及气氛稳定性。4. 通过本课题的支持，在Applied Physics Letters，Scientific Reports，物理学报等国内外学术期刊上已发表基金署名的SCI论文21篇，另外还有几篇文章在整理中。协助培养博士生2人（已毕业），硕士研究生2人（1人已毕业）。