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Sm^(3+)掺杂Ba_(0.85)Ca_(0.15)Ti_(0.90)Zr_(0.10)O_(3)无铅多功能铁电陶瓷的储能和光致发光性能

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无机化学学报 2024年第4期40卷 686-692页

作者：郑明张怡笑杨健关朋飞李秀东中国矿业大学材料与物理学院徐州221116

通过高温固相反应法制备了Ba_(0.85)Ca_(0.15)Ti_(0.90)Zr_(0.10)O_(3)∶xSm^(3+)(BCTZ∶xSm^(3+),x=0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%,物质的量分数)陶瓷,系统研究了其微观形貌、铁电性能、储能性能和光致发光性能。研究表明,Sm^(3+)掺入后,陶瓷平均晶粒大小明显下降,致密度显著提高。所有陶瓷均表现出典型的铁电性。BCTZ∶xSm^(3+)陶瓷放电储能密度得到了极大的提高,BCTZ∶1.0%Sm^(3+)陶瓷放电储能密度较纯BCTZ陶瓷可提高约49.0%。此外,在408 nm光的激发下,BCTZ∶xSm^(3+)陶瓷在596 nm左右表现出强烈的橙红色发光,且发光强度相对可调性可达449%。

关键词： Ba_(0.85)Ca_(0.15)Ti_(0.90)Zr_(0.10)O_(3) Sm^(3+) 铁电储能光致发光

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Er掺杂无铅铁电陶瓷的电学和光致发光性能

硅酸盐学报 2024年

作者：张怡笑王小丽杨健关朋飞郑明中国矿业大学材料与物理学院

无铅多功能铁电陶瓷在各类信息的检测、转换、存储及信息处理中具有广泛的应用，且稀土元素由于其特殊的电子结构和稳定的发光特性，有望赋予铁电陶瓷新的发光性能并改善其电学性能，为设计新型光电器件提供了可能。采用传统的高温固相... 详细信息

无铅多功能铁电陶瓷在各类信息的检测、转换、存储及信息处理中具有广泛的应用，且稀土元素由于其特殊的电子结构和稳定的发光特性，有望赋予铁电陶瓷新的发光性能并改善其电学性能，为设计新型光电器件提供了可能。采用传统的高温固相反应法制备稀土Er3+掺杂Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.10O3(BCTZ)无铅多功能铁电陶瓷，系统研究Er3+掺杂浓度对BCTZ铁电陶瓷微观结构、电学性能及光致发光的影响及内在联系。研究表明，陶瓷平均晶粒尺寸随Er3+掺杂浓度的增加单调减小，由7.59 μm减小至3.82 μm，减小约49.67%；陶瓷可释放的能量密度(Wrec)和储能效率(η)可分别提高约29.81%和122.79%。Er3+掺杂BCTZ陶瓷表现出强烈的绿光发射(548 nm)且发光强度相对可调性可达173%。Er3+掺杂BCTZ陶瓷优异、特殊的电光性能，在电介质储能电容器和光学器件等领域具有潜在应用前景。

关键词：稀土锆钛酸钡钙铁电储能光致发光

K_(x)Na_(1–x)NbO_(3):Pr^(3+)铁电体的光致发光和应力发光性能

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物理学报 2022年第16期71卷 369-379页

作者：梁爱华王旭升李国荣郑嘹赢江向平胡锐中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能材料与器件重点实验室上海200050 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院江西省先进陶瓷材料重点实验室景德镇333403 同济大学材料科学与工程学院功能材料研究实验室上海201804

应力发光材料具有应力-光转换特性,能在机械应力下产生发光,从而在光学信息显示方面具有很高的应用价值.本文通过改变铁电基体K_(x)Na_(1–x)NbO_(3)∶0.5%Pr^(3+)(K_(x)NNOP)的K^(+)/Na^(+)比来调节材料的晶体结构和缺陷分布,系统研究... 详细信息

应力发光材料具有应力-光转换特性,能在机械应力下产生发光,从而在光学信息显示方面具有很高的应用价值.本文通过改变铁电基体K_(x)Na_(1–x)NbO_(3)∶0.5%Pr^(3+)(K_(x)NNOP)的K^(+)/Na^(+)比来调节材料的晶体结构和缺陷分布,系统研究了K+含量对光致发光和应力发光性能的影响.研究结果表明,K+含量的增加使晶体对称性提高,导致K_(x)NNOP样品的光致发光强度降低.值得注意的是,在450 nm的光激发下,在K^(+)含量较高的组分中出现了Pr^(3+)电子3P1→3H5和3P0→3H5能级跃迁引起的发射峰,这归因于Pr^(3+)和Nb5+之间距离的变化导致Pr-O-Nb内价电子电荷转移态(IVCT)的能级位置不同.在压缩应力下,K_(x)NNOP(x=0,0.01,0.02,0.1)组分展现出明亮的红色应力发光,且应力发光强度随K+含量的增加而增大,其中K0.1NNOP组分表现出最高的强度发射.特别的是,其应力发光行为具有可重复性和可恢复性的特征.通过热释光曲线研究了K_(x)NNOP样品中的陷阱能级,揭示了K0.1NNOP中应力发光的增强可能与K+含量变化引起的陷阱密度和陷阱深度的差异有关.基于这些结果,建立了一个模型来阐述K_(x)NNOP中可能的应力发光机理.

关键词：应力发光铁电 K_(x)Na_(1–x)NbO_(3):Pr^(3+) 缺陷分布光致发光

TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN铁电电容器的原位生长与表征

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物理化学学报 2022年第5期38卷 89-96页

作者：殷宇豪沈阳王虎陈肖邵林华文宇王娟崔义中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米真空互联实验站江苏苏州215123 中国科学技术大学纳米科学与技术学院合肥230026 无锡拍字节科技有限公司江苏无锡214028 Department of Physics and Engineering Physics The University of TulsaTulsaOK 74104USA

HfO;基铁电电容器,特别是TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN金属-绝缘体-金属电容器,由于其良好的稳定性、高性能和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性,在新一代非易失性存储器中有着广阔的应用前景。由于TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN电容器... 详细信息

HfO;基铁电电容器,特别是TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN金属-绝缘体-金属电容器,由于其良好的稳定性、高性能和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性,在新一代非易失性存储器中有着广阔的应用前景。由于TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN电容器的电性能与Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)铁电薄膜与TiN电极层界面质量相关,因此控制TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN异质结构的制备和表征至关重要。本文报道了一种三明治结构:Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)铁电薄膜夹在两个TiN电极之间的新的制备方法,通过超高真空系统互连的原子层沉积(ALD)和磁控溅射设备实现。原位生长和表征结果表明,ZrO_(2)掺杂浓度和快速热退火温度可以调节TiN/Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)/TiN异质结的铁电性能,并能很好地被互连系统监控。在该体系中,通过在HfO2中掺杂50%(molar fraction,x)ZrO_(2)并且在600℃下快速热退火(RTA),获得了21.5μC·cm^(-2)的高剩余极化率和1.35 V的低矫顽电压。

关键词：铁电表面界面 HfO 真空互联原位

Nd掺杂HfO_(2)薄膜的分子束外延制备及铁电性

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硅酸盐学报 2023年第12期51卷 3039-3045页

作者：刘育玮矫佩杰茆伟杨江枫郑宁冲王鹏吴迪聂越峰南京大学现代工程与应用科学学院固体微结构物理国家重点实验室江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室南京210093 华威大学物理系英国考文垂CV47AL

掺杂Hf O_(2)铁电薄膜在非易失性存储器件中的重要应用前景使其成为当前凝聚态物理与材料科学领域的一个研究热点。近年来,结果表明:La掺杂Hf O_(2)拥有优异的铁电性能,铁电剩余极化强度为45μC/cm~2,是目前Hf O_(2)基薄膜材料中报道的... 详细信息

掺杂Hf O_(2)铁电薄膜在非易失性存储器件中的重要应用前景使其成为当前凝聚态物理与材料科学领域的一个研究热点。近年来,结果表明:La掺杂Hf O_(2)拥有优异的铁电性能,铁电剩余极化强度为45μC/cm~2,是目前Hf O_(2)基薄膜材料中报道的最高值。由于Nd与La的化学性质相近,Nd掺杂同样有望增强HfO_(2)的铁电性,但相关研究工作却鲜有报道。使用氧化物分子束外延技术,在La_(0.67)Sr_(0.33)Mn O_(3)(底电极)/SrTiO_(3)(001)衬底上外延生长高质量Nd掺杂Hf O_(2)(Nd:HfO_(2))薄膜。X射线衍射以及高分辨电镜表征结果均显示Nd掺杂有助于诱导Hf O_(2)从单斜相向正交相的转变,压电力显微镜和铁电测试仪进一步证实正交相Nd:Hf O_(2)具有良好的铁电性。此外,高分辨电子显微镜表征还发现Nd:Hf O_(2)靠近界面处存在四方相结构,衔接(111)晶向的Nd:Hf O_(2)和(001)晶向的钙钛矿氧化物衬底。Nd:Hf O_(2)薄膜的外延生长和铁电性的系统研究,扩充了掺杂Hf O_(2)的研究体系。

关键词：氧化铪铁电分子束外延掺杂

超薄Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)铁电薄膜制备及在ETSOI器件应用研究

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稀有金属 2022年第4期46卷 480-487页

作者：李昱东张兆浩闫江唐波张青竹罗军中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心北京100029 有研科技集团有限公司智能传感功能材料国家重点实验室北京100088 北方工业大学电子信息工程学院北京100144 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049

基于超薄铁电薄膜材料的场效应晶体管(field effect transistor,FET)是集成电路在5 nm及以下技术节点实现低功耗和高性能的技术方案之一。然而,由于铁电薄膜存在“死层”(dead layer)效应,造成超薄铁电薄膜保持足够铁电性以应用于先进... 详细信息

基于超薄铁电薄膜材料的场效应晶体管(field effect transistor,FET)是集成电路在5 nm及以下技术节点实现低功耗和高性能的技术方案之一。然而,由于铁电薄膜存在“死层”(dead layer)效应,造成超薄铁电薄膜保持足够铁电性以应用于先进技术节点器件上困难。针对超薄铁电薄膜面临的问题,本文首先探索了原子层沉积法(atomic layer deposition,ALD)制备Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)铁电薄膜的工艺,发现沉积Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)薄膜厚度与ALD生长周期呈现良好的线性关系,其生长速率约为0.136 nm·cycle^(-1)。接着对Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)薄膜的铁电性进行了表征,发现8 nm Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)薄膜比4 nm和10 nm薄膜具有更大的晶粒和更强的铁电性,并且通过横向对比发现4 nm的Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)薄膜依然具有较好的铁电性(2P_(r)=9.3μC·cm^(-2))。最后,将4 nm Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)薄膜材料集成到n型超薄绝缘体上硅(extra-thin silicon on insulator,ETSOI)器件中,实现室温下的亚阈值摆幅(sub-threshold slop,SS)达到57.4 mV·dec^(-1),突破了玻尔兹曼限制(60 mV·dec^(-1)),为超薄Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2)铁电薄膜材料以及负电容ETSOI器件研究和应用提供重要的技术基础。

关键词： Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2) 原子层沉积铁电超薄绝缘体上硅(ETSOI) 负电容低功耗

BNT基铁电陶瓷的温度诱导高电致应变响应及其机理研究

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材料导报 2023年第7期37卷 26-31页

作者：楚丙凯刘璐璐郝继功李伟曾华荣聊城大学材料科学与工程学院山东聊城252059 中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050

近年来,钛酸铋钠(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)(BNT)基铁电材料因具有高电致应变响应而受到广泛关注,并在驱动器方面展现出巨大的应用潜力。本工作采用传统固相法工艺制备了(1-x)(Bi_(0.5)Na_(0.5))TiO_(3)-x(Ba_(0.90)Ca_(0.10))(Ti_(0.92)Sn_(0.08))O_(3)(BNT-x BCTS,x=0.04~0.07)铁电陶瓷,研究了BCTS含量对BNT陶瓷的相结构、介电性能及电致应变性能的影响。通过分析高温下材料铁电/应变性能的变化和高温原位XRD/拉曼测试结果,明确了温度诱导BNT基陶瓷高电致应变产生的机理。结果表明,BNT-x BCTS(x=0.04~0.07)陶瓷均具有三方-四方两相共存结构,且三方相/四方相的含量比随着BCTS含量的增大逐渐减小。BCTS的引入促使BNT材料的铁电-弛豫相变温度(T_(F-R))向低温方向移动,并提高了BNT陶瓷材料室温下的电致应变性能。此外,BNT-x BCTS体系具有温度诱导高电致应变特征,在其T_(F-R)附近,电致应变性能获得极大提升:BNT-0.05BCTS陶瓷在其T_(F-R)(150℃)附近的单向应变值S uni达到0.463%(70 kV/cm电场下,测试频率1 Hz),对应的大信号压电常数d_(33)*为661 pm/V。通过开展样品在室温和150℃下第一圈电滞回线/双向应变曲线测试,给出了材料在不同温度下电场诱导结构转变的具体演变过程,并证实了BNT基材料在其T_(F-R)温度附近的高电致应变来源于电场诱导的遍历性弛豫态到铁电态的可逆转变。

关键词：钙钛矿钛酸铋钠铁电电致应变相变

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基于电荷转移的分子基铁电和磁电材料

中国科学：化学 2023年第8期53卷 1355-1368页

作者：刘祯李智睿唐正骁齐彤旭赵海霞龙腊生郑兰荪厦门大学化学化工学院厦门361005

电荷转移行为在分子基材料的自旋双稳态、价态互变等诸多体系中一直发挥着关键作用,基于分子基化合物中电荷转移构筑铁电和磁电材料是近年来新发展的研究方向,并吸引化学、材料及物理研究者们的广泛关注.相对于传统的铁电和磁电材料发... 详细信息

电荷转移行为在分子基材料的自旋双稳态、价态互变等诸多体系中一直发挥着关键作用,基于分子基化合物中电荷转移构筑铁电和磁电材料是近年来新发展的研究方向,并吸引化学、材料及物理研究者们的广泛关注.相对于传统的铁电和磁电材料发生机制,电荷转移引发或诱导的分子铁电和磁电材料,在加快器件运行速度的同时,可以实现局域磁矩的调控,因而通过外场调控有望实现磁电耦合.本文就基于电荷转移引发或诱导的分子基铁电和磁电材料研究体系进行分类,并进行系统性论述.此外,还提出个人观点,对当前领域的发展前景进行展望,希望能够为相关领域的研究者提供一些启示或参考.

关键词：分子基材料电荷转移磁电效应铁电

面向高电子迁移率晶体管的κ-Ga_(2)O_(3)/GaN铁电/极性半导体异质结

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中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第1期53卷 158-160页

作者：韩根全西安电子科技大学微电子学院西安710071

极性半导体异质结构是通过极化调控实现多功能、高性能先进电子器件的一种有效策略.南京大学叶建东团队报道了κ-Ga_(2)O_(3)/GaN铁电/极性半导体的II型异质结构,基于外场调控实现了κ-Ga_(2)O_(3)的铁电极化翻转,并揭示了极化电荷形成... 详细信息

极性半导体异质结构是通过极化调控实现多功能、高性能先进电子器件的一种有效策略.南京大学叶建东团队报道了κ-Ga_(2)O_(3)/GaN铁电/极性半导体的II型异质结构,基于外场调控实现了κ-Ga_(2)O_(3)的铁电极化翻转,并揭示了极化电荷形成的电偶极子是导致界面能带弯曲的物理起源.基于界面能带偏移和铁电极化翻转,有望实现界面二维电子气在积累和耗尽状态切换,为发展基于铁电/极性半导体异质结的高电子迁移率晶体管、铁电非易失性存储器和超低功耗负电容晶体管等提供有效参考.

关键词：氧化镓铁电极化异质结