薄膜异质结构中的挠曲电特性以及光伏效应研究

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近年来,挠曲电效应这种由应变梯度引起的电极化,以其在晶体材料中普遍存在的特性,引起了科学界的热切关注。目前,很多实验通过挠曲电极化在半导体、过渡金属氧化物和钙钛矿氧化物中实现了物理性质的力学调制,如电荷分布、电输运和铁电极化等特性,挠曲电效应被应用于传感器和驱动器的同时,在光电领域的研究也取得了突破,因其材料选择的多样性及结构中没有p-n结而不受Shockley-Queisser极限限制等特点而具有广阔的前景。由于挠曲电效应与材料的尺寸成反比,越来越多的研究趋向于纳米薄膜。在之前的研究中,薄膜材料的挠曲电效应往往是靠外力向薄膜施加不均匀应变诱导产生的,缺少利用薄膜异质结构产生自身固有的挠曲电效应的研究。因此,本文提出了一种基于薄膜异质结构的挠曲电光电探测器。这种结构是在LaAlO3上外延的LaFeO3薄膜,LaNiO3作为底电极,通过LaAlO3与LaFeO3之间2.9%的晶格失配度及薄膜的晶格弛豫现象产生了应变梯度,由此导致的挠曲电效应主导了器件的光伏效应,对此器件的制备、结构、作用机制及光电探测特性进行了表征和研究。首先,采用脉冲激光沉积技术在LaAlO3基底上制备了高质量的LaFeO3外延薄膜,通过X射线衍射、原子力显微镜和扫描透射电子显微镜等手段对样品的表面、纯相成分、微观结构进行了表征,获得了具有106/m数量级应变梯度的挠曲电光电探测器件。利用自搭建的光电测试系统对不同厚度、不同顶电极的LaFeO3器件进行了光电测试,并通过热激发模型对器件的暗电流进行拟合,揭示了挠曲电效应通过调控肖特基势垒的高度来主导光电特性。此外,对该器件的光能量密度的探测性、光响应时间以及不同温度下的探测率和响应率进行了测试,与其他光电探测器相比,具有自供电、15纳秒快速响应以及宽工作温度区间的优越性能。在此基础上,将LaFeO3/LaNiO3/LaAlO3结构外延生长到柔性基底云母上,虽然基底的改变使薄膜的取向发生改变,但仍具备挠曲电效应导致的光伏特性。利用X射线衍射、原子力显微镜表征了高质量的薄膜,通过光电测试证明了器件光电探测方面的优越性能。值得一提的是通过宏观弯曲施加的机械应变调控了器件的光伏效应,这种现象是稳定和可重复的。利用热激发模型对两种弯曲状态和水平状态的暗电流拟合,用肖特基势垒解释了挠曲电效应的作用机制。为可调控挠曲电柔性电子学器件的研究提供了思路。
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