上海技物所等在鐵電隧道效應(yīng)研究中取得進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)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(yīng)研究中取得新進(jìn)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(duì)鐵電隧道結(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，制備了聚偏氟乙烯聚合物(PVDF)材料的鐵電隧道結(jié)固態(tài)器件，發(fā)現(xiàn)了鐵電極化操控的直接量子隧穿效應(yīng)。研究結(jié)果以Direct tunnelling through organic ferroelectrics 為題在Nature Communications 7, 11502 (2016)（DOI: 10.1038/ncomms11502）在線發(fā)表。這一研究首次利用厚度只有幾個(gè)納米的鐵電PVDF聚合物超薄膜作為隧道結(jié)的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了鐵電極化對(duì)隧穿電流的調(diào)控比超過(guò)1000%，為探索隧穿電子與極化耦合特性以及發(fā)展基于鐵電隧道結(jié)的新型電子器件提供了基礎(chǔ)。該研究工作與華東師范大學(xué)教授段純剛及法國(guó)巴黎第十一大學(xué)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(yīng)是一種量子特性，是電子等微觀粒子能夠穿過(guò)其本來(lái)無(wú)法通過(guò)的“墻壁”的現(xiàn)象。鐵電量子隧穿效應(yīng)是將普通“墻壁”層（或者稱(chēng)作“壘”層）換為鐵電材料，利用鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)特性來(lái)改變“墻壁”的厚度和高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子隧穿特性、狀態(tài)的操控。

　　實(shí)現(xiàn)鐵電量子效應(yīng)需要極高的樣品質(zhì)量，以前的報(bào)道鐵電量子隧穿效應(yīng)只在少數(shù)幾種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜氧化物材料體系中被觀測(cè)到，并且制備工藝及控制復(fù)雜，隧穿機(jī)理尚不清晰。PVDF是一種鐵電聚合物材料，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如二維鐵電特性，極化翻轉(zhuǎn)源于分子鏈扭轉(zhuǎn)，具有多種分子構(gòu)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(yīng)具有重要的科學(xué)意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　課題組自2010年起就開(kāi)展了PVDF聚合物鐵電量子隧穿效應(yīng)的研究，期間反復(fù)優(yōu)化超薄膜及器件制備工藝，多次改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，探索優(yōu)化薄膜及器件測(cè)試表征手段。其中，高質(zhì)量納米厚度PVDF超薄膜的制備是該研究的難點(diǎn)之一。課題組摸索了利用朗繆爾-布拉基特（LB）薄膜轉(zhuǎn)移的方法，將精準(zhǔn)控制分子層厚度（單層厚度約2納米，包含3-4個(gè)分子層）的PVDF二維薄膜轉(zhuǎn)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(guān)薄膜制備工藝直至2014年初取得突破，相關(guān)工作發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 104, 182907 (2014)。

　　鐵電隧道結(jié)器件在未來(lái)高密度、低功耗、高度集成的邏輯和存儲(chǔ)器件中具有重要應(yīng)用價(jià)值。基于鐵電量子隧穿效應(yīng)，亦可用于構(gòu)建新型的紅外熱探測(cè)器件以及高靈敏新型光電探測(cè)器件。PVDF鐵電隧道結(jié)器件除上述潛在應(yīng)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(yōu)勢(shì)，這將有利于其在柔性光/電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　此外，課題組已經(jīng)在PVDF基鐵電聚合物薄膜物理及相關(guān)器件開(kāi)發(fā)研究領(lǐng)域積累了近10年，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PVDF非制冷紅外探測(cè)相關(guān)器件，PVDF探測(cè)器件已經(jīng)在工程領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，在該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表學(xué)術(shù)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(shí)，課題組在努力進(jìn)一步提高PVDF樣品質(zhì)量，希望能在此項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，研制新型結(jié)構(gòu)及功能器件，深入研析其中的新機(jī)理及新效應(yīng)。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委及上海市科委項(xiàng)目的資助。