摘要: 随着物联网、大数据、人工智能、5G等技术快速发展，开发低成本、自驱动、多功能的电子器件是这些领域的必然发展趋势。光电探测器件由于其将光信号转换成电信号输出特点，被广泛应用于成像、传感探测、检测等微电子行业。铁电薄膜材料具有介电调谐、... 展开 随着物联网、大数据、人工智能、5G等技术快速发展，开发低成本、自驱动、多功能的电子器件是这些领域的必然发展趋势。光电探测器件由于其将光信号转换成电信号输出特点，被广泛应用于成像、传感探测、检测等微电子行业。铁电薄膜材料具有介电调谐、储能、电卡制冷、光伏等多种应用功能，可以被用作开发新型多功能光电探测器的潜在材料。本文通过采用溶胶-凝胶法在Pt (111)/TiOx/SiO2/Si (100)衬底上制备了锆钛酸铅-铁酸铋(0.75Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-0.25BiFeO3, PZT-25BFO)复合薄膜，系统研究了该复合薄膜的厚度增加对其电学性能、储能性能的影响，选择出其电学性能最佳厚度的薄膜样品并研究它的光电性能；同时通过溶胶-凝胶法在LaNiO3/Si复合衬底上制备了铁酸铋(BiFeO3, BFO)铁电薄膜，设计了一种具备光电探测、温度传感、逻辑门运算三种功能于一体的多功能传感器件，详细地对BFO薄膜器件的光电性能、光-热性能进行分析研究。研究结果表明： (1) 由于 0.75Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-0.25BiFeO3(PZT-25BFO)复合薄膜成分在准同型相界面，铁电菱方相和四方相同时存在。随着薄膜厚度的增加以及衬底夹紧效应影响下，薄膜发生了从菱方相向四方相的相变，改变了两种相的数量。同时研究发现薄膜的应力随着厚度的增加而增加，可能也诱导了薄膜的相转变。在2444 kV cm-1电场作用下，薄膜的Pmax可达97μC cm-2。该薄膜具有较高的储能密度(~ 42 J cm-3)、介电击穿强度(~ 2444 kV cm-1)。随着薄膜厚度的增加，可以提高其电学性能、储能稳定性，降低介电损耗和储能损耗，其中 12 层 PZT-25BFO 薄膜性能最佳。研究比较该样品极化前和极化后的光伏效应，发现未极化的薄膜的电流-电压(I-V)曲线显示ITO/PZT-25BFO/Pt器件为欧姆接触，在365 nm波长光照射下没有任何的光电响应，极化后的I-V曲线显示为肖特基接触，在365 nm波长光照射下产生的最大光电流值为34 nA、光电压值为220 mV，可能归因于极化后的去极化场导致在薄膜-电极材料的界面处产生内建电场，导致界面能带弯曲，影响器件电子-空穴对的产生和分离。本工作结果表明，PZT-25BFO复合薄膜具有较高的储能性能，增加复合薄膜的厚度有利于提升其电学性能、储能性能稳定性，极化作用可以使复合薄膜具备有光伏性能，兼具铁电储能、光电等多种功能的潜在应用材料。 (2) 基于 BiFeO3 (BFO)薄膜材料制备了一种自供电多功能的光电传感器件，实现光电探测、温度传感、逻辑门操作系统一体化的新形式。BFO薄膜材料具有独特的光和温度控制能带结构和载流子输运的特点。通过制备的ITO/BFO/LNO阵列传感器件不仅可以检测光强和温度，还可以通过将光和热输入组合转换为电输出，执行“与”、“或”和“非”三种常见逻辑门。研制了3 × 3逻辑门传感器矩阵，成功地检测了光和温度分布，准确地执行了三种基本逻辑门操作。这项工作为构建高度集成的多功能电子器件提供了一条新的途径，以推进微型传感、通信和计算操作应用系统。 收起