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1、1,铁电超晶格(薄膜)简介,2,超晶格,半导体超晶格的层状结构,1970年IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念他们设想如果用两种晶格匹配很好的半导体材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下,电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件,电子,两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜,特定形式的层状精细复合材料,3,介电（铁电）体超晶格,1935年出生，九三学社社员，现任南京大学固体微结构国家重点实验室学术委员会主任，材料科学研究所所长,闵乃本,1986年提出“介电体超晶格”材料的概念，经过近3年探索，闵乃本和学生朱永元教授等建立了
2、“准周期超晶格”的理论。,2005年，课题组利用自行研制的介电体超晶格，研制成功全固态超晶格红、绿、蓝三基色和白光激光器，并制出样机，取得了4项国内发明专利和1项美国发明专利。,4,分子束外延 （molecularbeamepitaxy (MBE)）,仪器,产品广泛应用于太阳能光电、微电子、光电子、MEMS（微机电系统）、传感器、半导体发光照明工程等领域,MBE，PLD，ALD,5,为什么研究铁电体超晶格,实现光子的调控,举例,BaTiO3,高介电常数,高k材料,压电热点电光材料,热电探测器 薄膜电容器 非易失MRAM 表面声波元件,6,计算的前期工作,铁电 超晶格一般都生长在衬底上，在衬底和
3、超晶格之间晶格不匹配产生大的应力，这应力是影响超晶格材料的性质的一个重要因素而且很难控制,例如：SrTiO3，LaAlO3，SrRuO3,超晶格,衬底,7,Granzon等设计一个试验方法研究PZT陶瓷在应力下得极化和压电性质,换成BST,8,泊松比V=0.48,9,基于DFT的第一性原理研究模型：,假设： 1. 在零应力下BST超晶格被认为是理想的双层钙钛矿结构 2. 电子之间的交换关联式应用LDA 3. 在施加应力时，原子在空间群P4mm里沿100方向优化,BaTiO3的点阵参数aBT=0.3944,SrTiO3的点阵参数aST=0.3944,实验值分别是0.3994，0.3905 误差小
4、于1.5%(LDA造成),Castep软件包下,10,1. Ti2原子的位移远大于Ti1原子的位移 2. O和Ti位移方向相反，产生铁电性,11,Born有效电荷1,原子i沿着笛卡尔坐标方向的位移,原子沿笛卡尔坐标方向的电场,体系总能,1.Stefano B ,Stefano D G,Andrea D C 2001 Rev. Mod. Phys . 73 515,表明：Ti原子和O原子之间发生了动态电荷传输,12,APPLIED PHYSICS LETTERS 94, 232904 2009,single-crystalline BTO is tetragonal a=b=3.994 , c=
5、4.033 ,CTO is orthorhombic a=5.442 , b=5.380 , c=7.640 , and pseudocubic a=c=3.826 ,The alternation of compressive and tensile strains, which are induced in BTO and CTO layers by STO (cubic, a=3.905 )substrates,respectively, can effectively cancel out their opposite directional mechanical tension, so the (BTO)n/ (CTO)n SLs might be expected to better preserve a fully strained state when the layer thicknesses are properly combined.,13,NATURE| Vol 452| 10 April 2008,14,下一步的研究,研究的性质,AFM,自发极化率,其他结构,PHYSICAL REVIEW B 72, 144101 2005,misfit strain,界面的特殊效应,15,Thanks,
