鐵電隧道結(jié)的制備及其電致阻變特性研究項目摘要

鐵電隧道結(jié)是一個新的概念，它以幾個納米厚的鐵電薄膜作為隧道結(jié)的絕緣層。這一新結(jié)構(gòu)帶來的新效應(yīng)之一是隧穿電阻隨外電場的翻轉(zhuǎn)可以保持在高、低兩個電阻值。這種電致阻變現(xiàn)象在電阻式非揮發(fā)存儲中有重要的應(yīng)用前景。另一方面，鐵電隧道結(jié)本身蘊含著豐富的科學(xué)問題，其中鐵電自發(fā)極化與隧穿輸運行為的關(guān)系急需澄清。本項目以電阻式非揮發(fā)存儲器應(yīng)用為背景，以深刻理解微結(jié)構(gòu)對電學(xué)性能的調(diào)制規(guī)律為主線，在已有工作的基礎(chǔ)上，發(fā)展以鈣鈦礦鐵電薄膜為絕緣層的鐵電隧道結(jié)的制備技術(shù)，系統(tǒng)考察絕緣層種類、厚度、取向、晶格畸變等微結(jié)構(gòu)對隧道結(jié)輸運行為和電致阻變特性的影響，澄清鐵電自發(fā)極化與隧穿輸運行為的關(guān)系，發(fā)展有實用前景的鐵電隧道結(jié)。 2100433B

繼續(xù)摸索中間絕緣層的生長工藝，并利用各種微電子加工技術(shù)，制備出磁場電阻高、結(jié)電阻低、重復(fù)率好的優(yōu)質(zhì)單勢壘磁隧道結(jié)材料。深入研究磁隧道結(jié)的偏壓特性，運用全量子力學(xué)模型，結(jié)合磁振子、聲子的激發(fā)及界面能級結(jié)構(gòu)的變化，對隧道結(jié)磁電阻隨偏壓變化的現(xiàn)象作出理論詮釋。制備雙勢壘磁隧道結(jié)或選擇自旋極化率符號相反的鐵磁電極材料，研究反常隧道磁電阻現(xiàn)象及其隨外加偏壓的變化。 2100433B

本項目緊密圍繞研究目標，在隧道結(jié)發(fā)光的角向分布、偏振和光譜特征以及分子發(fā)光的躍遷偶極特性的表征方面，開展了一系列的工作，取得了若干成果：（1）在儀器研制方面，研制了與超高真空低溫STM聯(lián)用的后焦面光子探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道結(jié)中光子發(fā)射的角向分布特性的表征；研制了與超高真空低溫STM聯(lián)用的HBT系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道結(jié)中光子發(fā)射統(tǒng)計特性與偏振特性的表征；發(fā)展出了具有亞納米空間分辨的光致熒光成像技術(shù)，實現(xiàn)了對分子的躍遷偶極取向的實空間表征；（2）在科學(xué)進展方面，研究了卟啉分子J型聚合體的電致發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)其電致發(fā)光特征受到分子間偶極-偶極相互作用影響，并討論了在不同隧穿電流下卟啉J-型聚集體與納腔等離激元的相互作用特性；研究了分子發(fā)光與偶極-偶極作用的關(guān)系，利用發(fā)展出的亞納米空間分辨的熒光成像技術(shù)，實現(xiàn)了對分子間相干偶極相互作用的實空間直接觀察，開辟了研究分子間相互作用和能量轉(zhuǎn)移的新途徑，同時也為光合作用中分子捕光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和分子糾纏體系及其光源的調(diào)控提供了新的思路；設(shè)計并通過微納加工制備了具有中心缺陷結(jié)構(gòu)的二維等離激元光子晶體納米陣列，并將其作為襯底引入到STM中，并研究其缺陷模式形成的光學(xué)共振微腔對針尖誘導(dǎo)的納腔等離激元的增強效應(yīng)和模式調(diào)控作用。 到目前為止，已在SCI期刊上發(fā)表研究論文5 篇，其中有較重要影響的論文包括Nature 1篇，Applied Physics Letters 1篇，Nanoscale 1篇；項目負責人在2016年獲得基金委優(yōu)秀青年基金支持，與合作者一起培養(yǎng)博士研究生3 名。

分子尺度上的光電器件集成是未來信息能源技術(shù)中的一個重要發(fā)展方向，其科學(xué)基礎(chǔ)在于納米尺度下對光電相互作用與轉(zhuǎn)化過程的認識和調(diào)控。本項目將利用高分辨掃描隧道顯微鏡與高靈敏光學(xué)檢測的聯(lián)用技術(shù)，以含共軛π電子體系體系的有機多功能光電分子為研究對象，利用隧穿電子的高度局域化激發(fā)，構(gòu)筑并利用“倒置”光子收集通道來對隧道結(jié)中單分子電致發(fā)光的性質(zhì)、尤其是光子發(fā)射的角向分布特征進行高分辨的表征，研究隧道結(jié)中分子發(fā)光的躍遷偶極取向，探索通過改變隧道結(jié)等離激元模式來調(diào)控單分子發(fā)光的光子輻射方向與偏振方向的方法。研究結(jié)果不僅有助于理解分子在納米環(huán)境中的光電行為，而且有助于探索隧道結(jié)中的電子、激子、聲子、表面等離激元和光子等之間的相互耦合和轉(zhuǎn)化過程，為今后設(shè)計和優(yōu)化基于分子光源的有源等離激元器件提供科學(xué)基礎(chǔ)與依據(jù)。