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强磁场中心盛志高研究团队发明极化二极管
2020-07-31| 作者:许学莉 | 【 【打印】【关闭】

近期,中科院合肥研究院强磁场中心盛志高研究团队与中科院物理所和中科院宁波材料所科研人员合作,发明了一种新型电子元器件——“极化二极管”,相关研究成果以“Polar Rectification Effect in Electro-Fatigued SrTiO3-Based Junctions”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

从迁移的角度来说,电子可以分成两类:巡游电子和局域电子。对于以巡游电子为载体的电子元器件,电场作用下的电流(J)与电压(V)关系有两种。第一种是具有对称 J-V 关系的电阻元件;第二种是具有非对称性 J-V 关系(整流效应)的电流二极管(如下图ab所示)。电流二极管被广泛应用于存储、计算、通信、显示等领域,已经成为了现代电子学中最为关键的基础元器件。而对于以局域电子为载体的电子元器件来说,情况略有不同。具有对称性电极化(P)与电压(V)关系的电容等元器件早已被发明(下图c)。而对于具有非对称性 P-V 关系(极化整流效应)的电子元器件至今未见报道。因此,如果能寻找到一种非对称 P-V 关系,形成电极化的整流效应,则可以制成极化二极管,将在整流器、储存器及计算等领域有着非常重要的潜在应用价值。

研究团队通过电疲劳的方法在介电材料钛酸锶(SrTiO3)中引入适量的氧空位。这些氧空位与其周围的电子组成了“极化子”,这些“极化子”在电场作用下可以形成电极化(P)。然后,通过制备金属钛与疲劳钛酸锶组成的异质结,构建出具有整流效应的元器件。借助强磁场中心稳态强磁场实验装置(SHMFF)超导磁体下超快光学测试系统,对该元器件进行了细致的研究。研究发现在对该元器件施加负电场(-V)时,界面形成了一个非常弱的极化P;对该元器件施加正电场(+V)时,界面形成了一个非常强的极化P。这一非对称性P-V 关系表明该器件具有极化整流效应,是一种极化二极管,可能成为未来电子器件的基础元件。

上述研究成果已申请发明专利;该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金,中科院前沿科学重点研究项目、强磁场安徽省实验室方向基金的支持。

 原文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c08418 

巡游电子的(a)电阻元件、(b)电流二极管J-V 关系示意图;(c)局域电子的电容元件P-V 关系示意图;图(d)为本工作发明的极化二极管示意图以及P-V 关系实验数据。

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