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力电场作用下PZT/STO/PZT薄膜中铁电泡畴的拓扑演变机制研究

批准号:
12104126
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张阳洋
依托单位:
学科分类:
铁电与多铁体系
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张阳洋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
铁电畴是铁电材料最基本的微观结构,有望增加传感、驱动和信息存储器件的功能单元密度、提高其操作速度并降低能耗,在电子科技领域引起广泛关注。铁电畴中的泡畴具备在三维空间小于10nm的尺寸优势,但多场作用下畴变的动态特性及界面调控机理尚不明确。本项目以具有超薄介电夹层的PZT/STO/PZT膜为研究对象,拟采用原子分辨透射电子显微学方法,从平面和截面两个正交视角,全方位观测该铁电多层膜内泡畴的结构特性;同时利用原位实验,探究在力、电场及二者协同效应下泡畴实时的拓扑转变规律;最后在界面处进行亚埃级空间分辨率的应力状态、原子位移以及元素价态精细表征,以此研究多层膜体系中最为关键的层间相互作用。本研究将揭示多外场协同效应与铁电泡畴内部力电耦合的实时交互作用,阐明多层铁电薄膜中介电/铁电界面对畴变的调控机制,最终实现可控的铁电拓扑结构转变,为复合功能微纳电子器件的结构设计和性能优化提供科学依据。
英文摘要
Ferroelectric domains, the most basic microstructures in ferroelectric materials, have drawn great interest in the field of electronic devices due to their potential to increase the density of functional units, boost the speed of operation, reduce energy consumption in sensor, actuator and memory devices. Among them, ferroelectric bubbles have advantages in size (~10 nm in three dimensions) but the domain switching dynamics and interfacial interaction under multi-field coupling still remain elusive. The proposal focuses on series of PZT/STO/PZT films where ultra-thin dielectric spacers are sandwiched. In-situ experiment and transmission electron microscopy with atomic resolution will be combined during the investigation of bubble domain switching under stress and/or electric field. Both plan view and cross-sectional view are scheduled for 3D visualization of the bubble domain topological transition. Strain field, atomic displacement and valence states of the elements will also be analyzed to study the most critical interfacial interaction in the multilayer system. The study is proposed to reveal the interplay between synergistic effects of stress/electric field and lattice-polarization coupling in bubble domains. Moreover, the results can elucidate interfacial interaction between dielectric and ferroelectric layers that manipulate the domain switching. Thus, they shed light on more deterministic topological transition and provide new pathways for the design and performance optimization of multifunctional micronanoelectronic devices.
钙钛矿薄膜是一种具有钙钛矿型晶体结构的化合物薄膜,因其优异的物理性能在电子、光电子和能源等领域有着广泛的应用前景。钙钛矿薄膜的微观结构会直接改变其电学输运和光电转化等物理性质,界面匹配与缺陷控制更是直接影响载流子的传输的效率与非辐射复合的难易。本项目以钙钛矿薄膜为主要研究对象,采用透射电子显微学方法结合扫描电子显微学、原子力显微学、X射线衍射分析等多种表征方法以及光电测试系统对钙钛矿材料的微观结构演变过程及其机理进行了研究,重要结果如下:1. 对PZT/STO/PZT薄膜样品进行原位电学实验,施加负电压可以促使泡状铁电畴的形成,随着电压的增大泡畴逐渐聚集汇合,缓慢降低电压,畴变基本可以保持不变,而施加正电压时,泡状铁电畴逐渐消失,可见电场能够有效调控PZT/STO/PZT体系内部拓扑演变;2. 短链共轭分子2-MeO-PEAI能诱导钙钛矿薄膜上的CsPbBr3纳米晶进行原位相转变,形成Ruddlesden−Popper相纳米晶,吸收边与发射峰发生红移,带隙变窄,钙钛矿薄膜的表面粗糙度进一步降低,加强界面接触,且表面电势降低,能级更为匹配,光致发光强度和载流子寿命增加,加强了载流子在界面处的提取与传输能力,同时内建电势显著增大,载流子复合电阻增大,缺陷态密度显著降低,抑制了由于缺陷位点所导致的非辐射复合;3. 通过控制低压辅助(LPA)法制备FAPbI3钙钛矿薄膜过程中的压强变化,提升了薄膜形貌的均匀性,实现了光电性能的提升,薄膜中的缺陷减少,非辐射复合减少,载流子寿命增长,载流子动力学特性改善。基于高均匀性的纯FAPbI3薄膜制备的PSCs,其光电转换效率和工作稳定性也得到提升。本项目丰富了钙钛矿型铁电薄膜内畴变规律的相关实验数据,拓展了对钙钛矿晶体结构原位相转变微观机制的认知,有助于深入理解钙钛矿薄膜材料的物理性质,为相关的微纳电子器件和光电器件的界面设计以及性能优化提供实验依据和理论基础。
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