通过晶格严重畸变和电畴精细调控探索BiFeO3等材料的多铁和半导体性能

In this project, we will find and study new ferroelectric phase and its phase transitions through introducing serious distortion of cyrstal lattice in BiFeO3 and its derivatives, and then we will imporve their multiferroic and semiconductive properties through designing fine domain structure. (1) We will introduce serious crystal lattice distortion for new ferroelectric phase, design new morphotropic phase boundaries for better piezoelectrics, and study (anti-)ferromagnetism for higher magnetoelectric coupling. Furthermore, we will study the nonlinear coupling between ferroelectric polarization and inhomogenous strain, i.e. flexoelectric effect. (2) We will design, grow and study the BiFeO3 films with uniform domain or arranged domains, clarify all kinds of fine domain structures in the new single ferroelectric phase or in mixed phases with morphotropic phase boundaries, and study the vortex domain and its abnormal conductive traits. Furthermore, we will adjust their energy band through designing special fine domain structure, improve its piezoelectric or conductive traits, and finally manipulate the resistive switching effect or improve the photovoltaic effect. In a word, we will improve the multiferroic or semiconductive effect of BiFeO3 or its derivatives, through optimizing their crystal lattice or fine domain structure. If so, this project will create a new start for new electronic devices.

本项目拟通过诱导BiFeO3等多铁材料的晶格严重畸变、通过铁电畴精细结构设计，发现现有铁电相之外的新铁电相和相变，探索和优化其多铁和半导体性能。 (1) 通过外延应力或者元素掺杂显著改变BiFeO3的晶格和能带结构, 发现和研究新的铁电相或压电准同型相，研究新铁电相的(反)铁磁和磁电耦合效应；通过外力在BiFeO3薄膜中诱导非均匀应变，研究其与铁电极化的耦合关系，即挠曲电效应。 (2) 研究具有单一、有序排列铁电畴的薄膜,阐明BiFeO3新相或准同型相中的铁电畴精细结构，通过人工设计特定铁电畴精细结构优化多铁效应；研究BiFeO3的涡旋畴及畴壁电导特征，通过铁电畴精细结构调控薄膜的半导体性质，制备铁电光伏原型器件单元。　　 多铁和半导体在BiFeO3载体中既相互联系、又相对独立，通过晶格严重畸变和畴精细结构调控多铁和半导体性能，将为新型多功能电子元器件奠定材料基础。

BiFeO3和Bi2FeCrO6多铁性材料含有铁电、压电、磁电耦合、半导体等特性， BaTiO3和PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT)铁电材料已经在介电和压电等微电子领域广泛应用，针对它们的研究不仅具有较高的科学研究价值，也有利于制备新型电子器件。本课题取得的研究进展主要包括以下5个方面。. (1) 电场和应力调控BiFeO3的铁电极化翻转和铁电畴演变。分别在外电场和外力作用下实现了180°铁电极化翻转，通过71°和109°两个步骤完成的180°极化翻转具有更低的势垒，更容易在较低的外电场或者外力作用下实现。BiFeO3薄膜的71°或109°极化翻转会引起反铁磁易极化面的改变，从而引起磁电效应。. (2) BiFeO3薄膜中铁电极化调控光伏效应。BiFeO3薄膜中观察到铁电极化调控的光伏效应，通过La掺杂BiFeO3薄膜和界面Au纳米颗粒显著增强了样品的光伏效率，通过短路光伏电流可以读出铁电极化方向，为制备新型铁电存储器或光传感器奠定了基础。.. (3) Bi2FeCrO6的铁电极化翻转可以调控其双极性阻变。通过导电原子力显微镜和扫描隧道显微镜，分别发现薄膜具有量子隧穿效应导致的双极型阻变和单极型阻变，其高/低电阻比率超过15倍，铁电极化翻转可以调制上述阻变效应。 . (4) 柔性可弯曲的BaTi0.95Co0.05O3阻变存储器件。在超薄柔性云母衬底上制备了柔性和半透明的BaTi0.95Co0.05O3阻变存储器件，它在平整状态下高/低电阻比大于50倍、数据保持性能好、抗疲劳性能优异，在1.4mm弯曲半径下能够保持与原始平整样品一致的阻变性能。上述研究为新型柔性可穿戴器件提供了实验支持。. (5) 柔性可弯曲PZT薄膜的巨大压电响应和柔性铁电存储器件。制备了柔性PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜，其面外压电响应强度10倍于采用硬质衬底的普通PZT薄膜，经过百亿次铁电极化翻转之后，其非易失性铁电极化强度仍然大于10µC/cm2，在2.2mm半径下弯曲10000次之后铁电存储器件的性能没有明显衰减。. 总之，本课题研究了几种典型的氧化物铁电材料，发现了新奇物理现象，并研制了柔性弯曲的全无机存储功能器件，为进一步的研究和应用奠定了坚实的基础。