上海技物所等在铁电隧道效应研究中取得进展
2016-05-18 来源：中国聚合物网
近日，中国科学院上海技术物理研究所研究员、中科院院士褚君浩以及研究员孟祥建课题组在铁电量子隧穿效应研究中取得新进展。该课题组的王建禄博士与博士研究生田博博、赵晓林等对铁电隧道结进行了系统研究，制备了聚偏氟乙烯聚合物(PVDF)材料的铁电隧道结固态器件，发现了铁电极化操控的直接量子隧穿效应。研究结果以Direct tunnelling through organic ferroelectrics 为题在Nature Communications 7, 11502 (2016)（DOI: 10.1038/ncomms11502）在线发表。这一研究首次利用厚度只有几个纳米的铁电PVDF聚合物超薄膜作为隧道结的势垒结构，发现了铁电极化对隧穿电流的调控比超过1000%，为探索隧穿电子与极化耦合特性以及发展基于铁电隧道结的新型电子器件提供了基础。该研究工作与华东师范大学教授段纯刚及法国巴黎第十一大学教授Garcia合作完成。王建禄为论文通讯作者，田博博为论文第一作者。
量子隧穿效应是一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过其本来无法通过的“墙壁”的现象。铁电量子隧穿效应是将普通“墙壁”层（或者称作“垒”层）换为铁电材料，利用铁电材料的极化翻转特性来改变“墙壁”的厚度和高度，进而实现对量子隧穿特性、状态的操控。
实现铁电量子效应需要极高的样品质量，以前的报道铁电量子隧穿效应只在少数几种钙钛矿结构的复杂氧化物材料体系中被观测到，并且制备工艺及控制复杂，隧穿机理尚不清晰。PVDF是一种铁电聚合物材料，具有许多独特的性质，如二维铁电特性，极化翻转源于分子链扭转，具有多种分子构型，以及柔性可用于可卷曲电子、光电器件等。这使得PVDF铁电量子隧穿效应具有重要的科学意义与实际应用价值。
课题组自2010年起就开展了PVDF聚合物铁电量子隧穿效应的研究，期间反复优化超薄膜及器件制备工艺，多次改进器件结构，探索优化薄膜及器件测试表征手段。其中，高质量纳米厚度PVDF超薄膜的制备是该研究的难点之一。课题组摸索了利用朗缪尔-布拉基特（LB）薄膜转移的方法，将精准控制分子层厚度（单层厚度约2纳米，包含3-4个分子层）的PVDF二维薄膜转移至衬底上，获得了表面平整、分子链排列有序的样品。探索出了合适温度和气氛的热处理工艺，获得了具有二维铁电特性的PVDF超薄膜，相关薄膜制备工艺直至2014年初取得突破，相关工作发表在Appl. Phys. Lett. 104, 182907 (2014)。
铁电隧道结器件在未来高密度、低功耗、高度集成的逻辑和存储器件中具有重要应用价值。基于铁电量子隧穿效应，亦可用于构建新型的红外热探测器件以及高灵敏新型光电探测器件。PVDF铁电隧道结器件除上述潜在应用外，还具有易与硅基电路集成、大面积制备、可卷曲特性等突出优势，这将有利于其在柔性光/电子器件领域的应用。
此外，课题组已经在PVDF基铁电聚合物薄膜物理及相关器件开发研究领域积累了近10年，已经开发了具有自主知识产权的PVDF非制冷红外探测相关器件，PVDF探测器件已经在工程领域中实现应用。相关技术已经获授权发明专利4项，在该领域已经发表学术论文三十余篇，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。
与此同时，课题组在努力进一步提高PVDF样品质量，希望能在此项研究基础上，研制新型结构及功能器件，深入研析其中的新机理及新效应。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委及上海市科委项目的资助。
量子隧穿效应是一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过其本来无法通过的“墙壁”的现象。铁电量子隧穿效应是将普通“墙壁”层（或者称作“垒”层）换为铁电材料，利用铁电材料的极化翻转特性来改变“墙壁”的厚度和高度，进而实现对量子隧穿特性、状态的操控。
实现铁电量子效应需要极高的样品质量，以前的报道铁电量子隧穿效应只在少数几种钙钛矿结构的复杂氧化物材料体系中被观测到，并且制备工艺及控制复杂，隧穿机理尚不清晰。PVDF是一种铁电聚合物材料，具有许多独特的性质，如二维铁电特性，极化翻转源于分子链扭转，具有多种分子构型，以及柔性可用于可卷曲电子、光电器件等。这使得PVDF铁电量子隧穿效应具有重要的科学意义与实际应用价值。
课题组自2010年起就开展了PVDF聚合物铁电量子隧穿效应的研究，期间反复优化超薄膜及器件制备工艺，多次改进器件结构，探索优化薄膜及器件测试表征手段。其中，高质量纳米厚度PVDF超薄膜的制备是该研究的难点之一。课题组摸索了利用朗缪尔-布拉基特（LB）薄膜转移的方法，将精准控制分子层厚度（单层厚度约2纳米，包含3-4个分子层）的PVDF二维薄膜转移至衬底上，获得了表面平整、分子链排列有序的样品。探索出了合适温度和气氛的热处理工艺，获得了具有二维铁电特性的PVDF超薄膜，相关薄膜制备工艺直至2014年初取得突破，相关工作发表在Appl. Phys. Lett. 104, 182907 (2014)。
铁电隧道结器件在未来高密度、低功耗、高度集成的逻辑和存储器件中具有重要应用价值。基于铁电量子隧穿效应，亦可用于构建新型的红外热探测器件以及高灵敏新型光电探测器件。PVDF铁电隧道结器件除上述潜在应用外，还具有易与硅基电路集成、大面积制备、可卷曲特性等突出优势，这将有利于其在柔性光/电子器件领域的应用。
此外，课题组已经在PVDF基铁电聚合物薄膜物理及相关器件开发研究领域积累了近10年，已经开发了具有自主知识产权的PVDF非制冷红外探测相关器件，PVDF探测器件已经在工程领域中实现应用。相关技术已经获授权发明专利4项，在该领域已经发表学术论文三十余篇，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。
与此同时，课题组在努力进一步提高PVDF样品质量，希望能在此项研究基础上，研制新型结构及功能器件，深入研析其中的新机理及新效应。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委及上海市科委项目的资助。
PVDF铁电量子隧穿结结构示意图
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（责任编辑：xu）
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