硅基铌酸锂铁电单晶薄膜导电畴壁调控及低温传感机理研究

Cryogenic negative temperature coefficient (NTC) thermistor sensors have enormous potential applications due to their high sensitivity, excellent stability, large cryoresistance. However, the sensitivity and stability have become a key issue that needs urgent solutions for applications of NTC thermistor materials. In this work, a new cryogenic NTC thermistor sensor based on the charged domain wall resistors of lithium niobate ferroelectric monocrystal films has proposed creatively. Firstly, in order to change the band structure, reduce the coervice field and improve domain wall current, we investigated different dope-ion and different doped concentration of single crystal. Then, fabricate the sensitive raised structure cells by combining micro and nano process and electric control for high precision regulation. At last, we need to analyze systematically the discontinuous distribution of electron and hole caused by ferroelectric domain switching, reveal the change rule of carrier concentration and mobility around domain walls at cryogenic temperature, establish the model of thermodynamics between wall current and temperature, and provide valid theory support for the next generation of cryogenic NTC thermistor sensors.

高灵敏度、强稳定性、大低温电阻的负温度系数（NTC）热敏电阻低温传感器在空间技术和低温超导领域具有巨大的潜在应用价值，而低温区灵敏度和稳定性已成为目前NTC热敏电阻材料面向应用所亟需解决的关键问题。本项目创新性地提出基于硅基铌酸锂铁电单晶薄膜导电畴壁的新型NTC热敏电阻低温传感器。选择合适掺杂离子和浓度的单晶材料，以改善能带结构、降低矫顽电场，提升畴壁电流；利用微纳加工技术与外场调控相结合方式诱导铁电单晶薄膜凸起结构敏感单元电畴反转，以实现导电畴壁的精确调控；系统分析畴壁束缚电荷中心引起的材料内部电子和空穴浓度分布不连续问题，揭示铁电电畴反转形成导电畴壁附近的自由电荷分布规律；探明畴壁附近载流子浓度和迁移率在低温环境下的变化规律，建立畴壁电流与温度之间的热力学关系模型，为新型NTC热敏电阻低温温度传感器提供理论支持。

随着空间科学和低温超导技术的飞速发展， 传统低温(1K-300K)测量技术难以满足当前对低温温度精确测量的需求，特别是深空、 航天、国防等高科技领域需要更精确温度测量，迫切需要开发新型高灵敏度、强稳定性低温传感技术。负温度系数热敏电阻低温传感技术因其灵敏度高、稳定性好、低温阻值大、磁场影响小、宜于遥测等优点，被认为是最具潜力的低温传感技术之一。研究发现，铁电电畴反转形成的半导体热激发型导电畴壁是一种新型负温度系数（NTC）热敏电阻，在低温传感技术中具有广泛的应用前景。本项目研究了不同掺杂离子和浓度的铌酸锂单晶材料，以调控能带结构，降低矫顽电场，提升畴壁电流；开发出纳米凸块夹持电极的畴壁电流宏观测量新方法，突破常规导电力显微镜（c-AFM）技术测量畴壁电流无驰豫时间、不良电学接触的技术瓶颈，根本解决畴壁电流高精度测量难题；研究了铌酸锂单晶与硅的异质集成方法，实现单晶材料薄膜化，为低温传感芯片集成化奠定基础；采用微纳加工技术与外场调控相结合方式诱导铁电单晶薄膜凸起结构敏感单元电畴反转，实现了导电畴壁束缚电荷分布的精确调控；系统分析了畴壁束缚电荷中心引起的材料内部电子和空穴浓度分布不连续问题，揭示了铁电电畴反转形成导电畴壁附近的自由电荷分布规律，探明了畴壁附近载流子浓度和迁移率在低温环境下的变化规律，建立了畴壁电流与温度之间的热力学关系模型，揭示了畴壁导电类型；开发基于铁电畴壁的新型低温传感热敏单元，对于高精度NTC热敏电阻低温温度传感器的研制及其在深空探测和低温测量领域的功能升级和应用推广具有重要的科学意义和应用价值。