上海技物所等在鐵電隧道效應研究中取得進展
2016-05-18 來源：中國聚合物網
近日，中國科學院上海技術物理研究所研究員、中科院院士褚君浩以及研究員孟祥建課題組在鐵電量子隧穿效應研究中取得新進展。該課題組的王建祿博士與博士研究生田博博、趙曉林等對鐵電隧道結進行了系統研究，制備了聚偏氟乙烯聚合物(PVDF)材料的鐵電隧道結固態器件，發現了鐵電極化操控的直接量子隧穿效應。研究結果以Direct tunnelling through organic ferroelectrics 為題在Nature Communications 7, 11502 (2016)（DOI: 10.1038/ncomms11502）在線發表。這一研究首次利用厚度只有幾個納米的鐵電PVDF聚合物超薄膜作為隧道結的勢壘結構，發現了鐵電極化對隧穿電流的調控比超過1000%，為探索隧穿電子與極化耦合特性以及發展基于鐵電隧道結的新型電子器件提供了基礎。該研究工作與華東師范大學教授段純剛及法國巴黎第十一大學教授Garcia合作完成。王建祿為論文通訊作者，田博博為論文第一作者。
量子隧穿效應是一種量子特性，是電子等微觀粒子能夠穿過其本來無法通過的“墻壁”的現象。鐵電量子隧穿效應是將普通“墻壁”層（或者稱作“壘”層）換為鐵電材料，利用鐵電材料的極化翻轉特性來改變“墻壁”的厚度和高度，進而實現對量子隧穿特性、狀態的操控。
實現鐵電量子效應需要極高的樣品質量，以前的報道鐵電量子隧穿效應只在少數幾種鈣鈦礦結構的復雜氧化物材料體系中被觀測到，并且制備工藝及控制復雜，隧穿機理尚不清晰。PVDF是一種鐵電聚合物材料，具有許多獨特的性質，如二維鐵電特性，極化翻轉源于分子鏈扭轉，具有多種分子構型，以及柔性可用于可卷曲電子、光電器件等。這使得PVDF鐵電量子隧穿效應具有重要的科學意義與實際應用價值。
課題組自2010年起就開展了PVDF聚合物鐵電量子隧穿效應的研究，期間反復優化超薄膜及器件制備工藝，多次改進器件結構，探索優化薄膜及器件測試表征手段。其中，高質量納米厚度PVDF超薄膜的制備是該研究的難點之一。課題組摸索了利用朗繆爾-布拉基特（LB）薄膜轉移的方法，將精準控制分子層厚度（單層厚度約2納米，包含3-4個分子層）的PVDF二維薄膜轉移至襯底上，獲得了表面平整、分子鏈排列有序的樣品。探索出了合適溫度和氣氛的熱處理工藝，獲得了具有二維鐵電特性的PVDF超薄膜，相關薄膜制備工藝直至2014年初取得突破，相關工作發表在Appl. Phys. Lett. 104, 182907 (2014)。
鐵電隧道結器件在未來高密度、低功耗、高度集成的邏輯和存儲器件中具有重要應用價值。基于鐵電量子隧穿效應，亦可用于構建新型的紅外熱探測器件以及高靈敏新型光電探測器件。PVDF鐵電隧道結器件除上述潛在應用外，還具有易與硅基電路集成、大面積制備、可卷曲特性等突出優勢，這將有利于其在柔性光/電子器件領域的應用。
此外，課題組已經在PVDF基鐵電聚合物薄膜物理及相關器件開發研究領域積累了近10年，已經開發了具有自主知識產權的PVDF非制冷紅外探測相關器件，PVDF探測器件已經在工程領域中實現應用。相關技術已經獲授權發明專利4項，在該領域已經發表學術論文三十余篇，其中包括Appl. Phys. Lett. 10余篇，Phys.Rev.B 1篇，New J. Phys. 1篇，J. Appl. Phys. 2篇，Scientific Reports 1篇等。
與此同時，課題組在努力進一步提高PVDF樣品質量，希望能在此項研究基礎上，研制新型結構及功能器件，深入研析其中的新機理及新效應。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委及上海市科委項目的資助。
量子隧穿效應是一種量子特性，是電子等微觀粒子能夠穿過其本來無法通過的“墻壁”的現象。鐵電量子隧穿效應是將普通“墻壁”層（或者稱作“壘”層）換為鐵電材料，利用鐵電材料的極化翻轉特性來改變“墻壁”的厚度和高度，進而實現對量子隧穿特性、狀態的操控。
實現鐵電量子效應需要極高的樣品質量，以前的報道鐵電量子隧穿效應只在少數幾種鈣鈦礦結構的復雜氧化物材料體系中被觀測到，并且制備工藝及控制復雜，隧穿機理尚不清晰。PVDF是一種鐵電聚合物材料，具有許多獨特的性質，如二維鐵電特性，極化翻轉源于分子鏈扭轉，具有多種分子構型，以及柔性可用于可卷曲電子、光電器件等。這使得PVDF鐵電量子隧穿效應具有重要的科學意義與實際應用價值。
課題組自2010年起就開展了PVDF聚合物鐵電量子隧穿效應的研究，期間反復優化超薄膜及器件制備工藝，多次改進器件結構，探索優化薄膜及器件測試表征手段。其中，高質量納米厚度PVDF超薄膜的制備是該研究的難點之一。課題組摸索了利用朗繆爾-布拉基特（LB）薄膜轉移的方法，將精準控制分子層厚度（單層厚度約2納米，包含3-4個分子層）的PVDF二維薄膜轉移至襯底上，獲得了表面平整、分子鏈排列有序的樣品。探索出了合適溫度和氣氛的熱處理工藝，獲得了具有二維鐵電特性的PVDF超薄膜，相關薄膜制備工藝直至2014年初取得突破，相關工作發表在Appl. Phys. Lett. 104, 182907 (2014)。
鐵電隧道結器件在未來高密度、低功耗、高度集成的邏輯和存儲器件中具有重要應用價值。基于鐵電量子隧穿效應，亦可用于構建新型的紅外熱探測器件以及高靈敏新型光電探測器件。PVDF鐵電隧道結器件除上述潛在應用外，還具有易與硅基電路集成、大面積制備、可卷曲特性等突出優勢，這將有利于其在柔性光/電子器件領域的應用。
此外，課題組已經在PVDF基鐵電聚合物薄膜物理及相關器件開發研究領域積累了近10年，已經開發了具有自主知識產權的PVDF非制冷紅外探測相關器件，PVDF探測器件已經在工程領域中實現應用。相關技術已經獲授權發明專利4項，在該領域已經發表學術論文三十余篇，其中包括Appl. Phys. Lett. 10余篇，Phys.Rev.B 1篇，New J. Phys. 1篇，J. Appl. Phys. 2篇，Scientific Reports 1篇等。
與此同時，課題組在努力進一步提高PVDF樣品質量，希望能在此項研究基礎上，研制新型結構及功能器件，深入研析其中的新機理及新效應。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委及上海市科委項目的資助。
PVDF鐵電量子隧穿結結構示意圖
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（責任編輯：xu）
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