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机械可控的非线性电介质
作者:佚名    发布于:2020-03-18 12:37   

应变敏感钛酸钡锶(Ba x -Sr 1-x -TiO 3)钙钛矿体系因其优异的非线性介电性能而被广泛使用。在最新的Science Advances报告中, DL Ko和台湾、香港以及美国的多学科研究团队开发了新的异质结构,包括在柔性白云母基底上外延生长出的顺电Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3(BSTO)和铁电BaTiO 3(BTO)材料。通过简单弯曲施加机械力可调节BSTO的介电常数电势电位为-77%至36%,以及基于BTO的铁电场效应晶体管的沟道电流为两个数量级。DL Ko等通过探索相变和能带结构的确定来研究详细的机制,以实现相场模拟并提供理论支持。该领域为基于高质量氧化物异质外延的机械可控部件开辟了新途径。

固体中原子的周期性构型是能量最小化的结果,其中所涉及的原子及其相应的排列可以确定材料的性能。因此,材料科学家可以以一种基本方法来动态调整原子排列或应变应用的周期性,从而调整材料功能。研究人员先前曾提出过几种施加应变的方法,包括施加静水压力通过X射线分析观察衍射峰的移动,作为外力引起晶格改变的直接证据。例如,由于磁致伸缩,电致伸缩和光致伸缩,诸如磁场,电场和光照的外部刺激可经历晶格变化。对材料施加机械力的概念可以通过手动弯曲来实现,因为这是导致材料变形的最简单方法。为了在没有缺陷形成吸收的情况下施加应变,材料科学家需要高质量的材料,例如单晶或外延膜,尽管大多数单晶无法机械弯曲。

二维(2-D)层状氧化物粘胶由于其优异的机械柔韧性和高熔点(1260 ℃至1290℃)是合格的候选材料。如果可以将应变应用于非线性介电晶格,则它可以更改其电荷存储能力和铁电极化幅度。非线性介电材料在晶格结构和特性之间以及传统的非线性介电材料之间提供了强大的耦合,无毒的钙钛矿 Ba x Sr 1-x TiO 3系统对应变应用显示出很高的敏感性。因此,Ko等选择顺电Ba 0.5 Sr 0.5TiO 3(BSTO)和铁电BaTiO 3作为本研究中的模型系统,表现出通过机械弯曲进行控制。

研究团队调整了Ba x Sr 1-x TiO 3系统的铁电至顺电相变,以通过机械弯曲控制相应的介电和铁电特性。他们使用电容电压(CV)、极化电压(PV)和电流电压(IV)测量来表征BSTO 的介电常数和BTO的铁电特性。他们还基于具有高迁移率掺铝氧化锌(AZO)半导体层的BTO构建了铁电场效应晶体管(FeFET),并测量了其沟道电流以研究对BSTO电容器和BTO FeFET的弯曲效应。研究小组观察了弯曲下晶格的变化拉曼光谱法和X射线光电子能谱法强调了BTO极化对不同弯曲条件下半导体AZO层中电子结构的影响。

该研究团队使用X射线衍射技术设计了具有卓越结晶度的白云母衬底上的BSTO电容器和BTO FeFET系统。他们注意到没有二级相的异质结构的高结晶质量,并使用摇摆曲线测量计算了每一层的结晶质量。为了检查材料的微观结构,他们使用高分辨率透射电子显微镜表征了异质结构,并由于其机械柔韧性而使用白云母基底通过机械弯曲对应变进行了研究,其中薄的白云母在实验过程中表现出更好的弯曲。

该小组通过机械弯曲施加应变,以观察BTO铁电和BSTO介电常数的变化。他们进行了电容电压(CV)和极化电压(PV)测量,以了解BTO的极化强度是否在机械弯曲下逐渐减弱。BSTO电容器的电可调性达到60%到70%,表明异质结构的质量很高,介电常数可以仅由电场来调节,而在正(拉伸应变)和负(压缩应变)弯曲下会增大或减小曲率。研究人员通过拉伸晶格结构来调整存储在该介电材料中的电荷量,并注意到相对于非线性介电特性的行为可以在机械弯曲下进行控制和重复。

然后,研究小组通过包括温度相关拉曼光谱在内的多种测量方法研究了机械弯曲改变铁电特性的能力,以研究铁电材料的相变。研究结果为通过机械弯曲控制铁电状态提供了直接的证据,并且该器件的进一步设计优化使他们能够将简单且可调谐的铁电电容器转换为机械控制的晶体管。压缩弯曲和拉伸弯曲都降低了导通电流,但是在拉伸弯曲下应变效应是明显的。科学家证实了AZO / BTO / SRO(钌酸锶)/白云母衬底是一种可机械控制的晶体管。研究小组使用压电响应力显微镜(PFM)和开尔文探针力显微镜(KPFM)。

以此方式,DL Ko及其同事开发了一种柔性氧化物异质外延电容器和FeFET,它使用了顺电BSTO,铁电BTO和半导体白云母衬底上的半导体AZO层。BSTO电容器在机械弯曲下显示出很高的介电常数可调性。在FeFET组件中,它们的开/关电流相对于BTO铁电的比率达到了两个数量级的变化。研究结果为他们提供了对该机理的重要见解,其中通过简单的机械弯曲就可以实现灵活和可调的电性能。这一突破将为机械可调技术的未来应用提供有希望的途径。

论文标题为《Mechanically controllable nonlinear dielectrics》, DOI: 10.1126/sciadv.aaz3180。

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