对铁电极化和半导体性能相互耦合的材料-铁电半导体的研究

不同于传统的铁电绝缘材料，铁电半导体是一类同时具有铁电和半导体性能的单相材料，可以通过铁电极化翻转调控其自身电阻、耗尽层、光伏效应等半导体效应。本项目将制备具有较大铁电-半导体耦合效应的ABO3型铁电半导体材料，并研究它们在高密度信息存储和光电转换等方面的应用。.铁电半导体材料的研究包括: (1)选择BiFeO3、Pb(ZrxTi1-x)O3、 BaTiO3等ABO3型铁电材料，制备纳米级的铁电薄膜或者掺入半导体杂质，获得电导位于半导体范围、铁电极化可以翻转的铁电半导体;(2)通过精确调控铁电半导体中缺陷、掺杂元等的浓度和分布，进一步提高铁电极化调控半导体性能的范围和能力;(3)通过改进极化技术和精确控制材料微结构，改善铁电半导体材料在铁电极化翻转过程中的抗疲劳性能;(4)通过电场、磁场翻转铁电极化，进而调控材料的半导体性能，并制备铁电极化调控的存储单元和类二级管。

本课题初步研究了铁电材料在中高温度、或者n型半导体掺杂下的半导体特征，以及铁电和半导体性质的耦合关系。通过本项目的研究，我们取得了一定的研究成果。主要包括：.（1）制备Bi1-xMx(M=Sm, Dy)FeO3两种陶瓷系列，发现它们存在铁电性和半导体特性共存的一个温度区间。当Bi1-xSmxFeO3陶瓷的Sm含量达到12.5%或者Bi1-xDyxFeO3陶瓷的Dy含量达到8%时两相共存，出现准同型相界，在室温下具有良好的压电、铁电性质。Bi0.875Sm0.125FeO3和Bi0.92Dy0.08FeO3陶瓷的电阻和阻抗随温度升高而显著下降，当温度上升到420℃以上时电阻和阻抗都下降到1000欧姆以下，这时陶瓷已经具备了半导体特征。陶瓷在室温至550℃范围内具有介电和阻抗谐振峰，说明在550℃以下陶瓷的压电性能可能获得应用。.（2）发现并解释BiFeO3陶瓷、BaTiO3和PbZr0.2Ti0.8O3外延薄膜的自极化现象。在烧结和冷却过程中，BiFeO3陶瓷上下表面的较大温度差导致铋氧空位分离，会产生沿温度梯度方向的宏观内电场，铁电畴在其作用下翻转，从而陶瓷具有自发极化现象。同样的，我们在BaTiO3和PbZr0.2Ti0.8O3外延薄膜中也发现了自极化现象，证明外延应力是产生其自极化现象的主要原因，促进了对薄膜中畴结构演变的理解，为进一步的研究奠定了基础。.（3）研究了BiFeO3薄膜中具有信息存储功能的阻变特征。BiFeO3薄膜具有铁电特征，Bi0.8Ca0.2FeO3薄膜具有顺电特征，发现BiFeO3和Bi0.8Ca0.2FeO3都具有可用于新型存储的阻变特征。它们既具有单极性阻变特征，又具有双极性阻变特征，可以通过调节薄膜内部的缺陷浓度和分布来实现双极性阻变到单极性阻变的转变。.（4）开展铁电半导体和光伏效应的研究。通过脉冲激光沉积和激光分子束外延法制备掺杂单相铁电薄膜，采用极化面积小的极化装置，施加大于矫顽场的高频电场来快速翻转铁电极化，极大地提高薄膜抗疲劳性能。利用改变掺杂量的大小，可以精确调控薄膜的电阻率，使之可控地由绝缘体向n型半导体转变。通过测量光伏电流方向实现了铁电极化信息的非破坏性读出。.总之，我们初步研究了几种典型铁电材料的半导体性能，这些研究有利于进一步发现具有良好铁电和半导体特征的新材料，有利于进一步阐明铁电半导体的物理机制。