铌酸锂导电畴壁及其应用(综合评述)

Abstract:Lithium niobate ( LiNbO3 , LN) is a kind of multi-functional uniaxial ferroelectric material, and is widely used in
optical modulators, optical frequency combs, optical waveguides, and so on. The emergence of conductive domain wall
与标准半导体工艺高度兼容,允许铌酸锂畴壁纳米电子学与光子学结合,是光电集成一体化芯片的有力候选
者。 近年来,基于铌酸锂不同类型导电畴壁在薄膜上实现的具有整流效应的 p-n 结 [51] ———作为半导体器件
中不可或缺的基础元件,对铌酸锂基集成光电子器件的发展具有重要的推动作用。
1 铌酸锂导电畴壁的发现
作者简介:张煜晨(1995—) ,女,辽宁省人,博士研究生。 E-mail:zhangyuchen@ mail. nankai. edu. cn
通信作者:张国权,博士,教授。 E-mail:zhanggq@ nankai. edu. cn
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综合评述
人 工 晶 体 学 报
especially the achievement of DW p-n junction. Furthermore, combined with the hot potential applications, the key issues,
challenges and opportunities in the development DW-based opto-electronic devices based on LN were summarized.
铌酸锂基光电一体化芯片的发展进程。 本文简要回顾了铌酸锂导电畴壁的研究进展,介绍了畴壁的制备、导电机制、
导电类型和畴壁的应用,重点介绍了铌酸锂畴壁 p-n 结的研究,进一步结合应用热点概述了铌酸锂畴壁光电子器件开
发进程中的关键问题、机遇和挑战。
关键词:铌酸锂;导电畴壁;p-n 结;薄膜;铁电;纳米光电子学
此后,为了推动铌酸锂导电畴壁在光电子学领域的广泛应用,人们针对铌酸锂畴壁的制备方法、导电机制、空
间结构,以及畴壁电导的影响因素等开展了大量的研究。
2 铌酸锂畴壁的导电机制和导电类型
深入理解畴壁的导电机制对促进畴壁在光电子器件中的应用至关重要。 目前关于畴壁导电机制的理论
模型主要分为本征效应和非本征效应。 本征效应包括畴壁处能带的降低及能带的偏移,非本征效应包括带
特增强效应 [6] 、机械性能软化效应 [7] 及磁性增强效应 [8-9] 等。 近十几年来,在多种铁电材料中都发现了导电
畴壁,包括铌酸锂( LiNbO3 ,LN) [10-11] 、铁酸铋( BiFeO3 ,BFO) [12-14] 、锆钛酸铅( Pb( Zr,Ti) O3 ,PZT) [15-16] 、锰酸
收稿日期:2024-01-07
基金项 目: 国 家 重 点 研 发 计 划 专 项 ( 2022YFA1404604 ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 ( 12134007 ) ; 天 津 市 市 科 技 计 划 重 点 项 目
(21JCZDJC00150) ;高等学校学科创新引智计划(111 计划) ( B23045)
现多晶铁酸铋晶体的导电畴壁处积累了大量的带电缺陷( Fe4 + 阳离子和 Bi 空位) ,随后通过退火处理证实了
畴壁的空穴型( p 型) 导电行为与 Fe4 + 缺陷密切相关。 虽然畴壁导电类型与上述 Farokhipoor 等的结果相反,
但考虑到体材料和外延薄膜生长条件的差异,导致生成畴壁的导电类型不同也是有可能的。 此外,由于自发
成电子反转层使畴壁导电。 另一方面,Farokhipoor 等 [13] 发现,铁酸铋薄膜导电畴壁处存在的氧空位缺陷所
产生的热激发电子会使畴壁表现出 n 型导电行为,但氧空位缺陷对畴壁导电的直接作用只发生在低电压阶
段,而在高电压阶段,氧空位通过降低界面肖特基势垒间接地增强畴壁导电;此外,Rojac 等 [55] 在原子尺度发
人 工 晶 体 学 报
第 53 卷 第 3 期
2024 年 3 月
JOURNAL
OF
SYNTHETIC
CRYSTALS
Vol. 53 No. 3
March,2024
铌酸锂导电畴壁及其应用
张煜晨,李三兵,许京军,张国权
( 南开大学物理科学学院 & 泰达应用物理研究院,弱光非线性光子学教育部重点实验室,天津 300071)
还有研究表明,即使是宏观上笔直的畴壁,也会因为带电缺陷的“ 修饰” ,使畴壁存在小的扭结而发生局部倾
斜,造成畴壁带有自由电荷而导电 [24,59] 。 实际上,这一自由电荷的积累也源于自由载流子在畴壁处的补偿。
因此,目前在理论和实验上都普遍认为铌酸锂畴壁导电性增强主要源于带相反电荷极性的自由载流子在畴
同类型畴壁的导电情况,提出了利用多根畴壁调节电导做纳米器件的设想。 这是实验上首次发现导电铁电
畴壁,且畴壁的宽度约为 2 nm,可作为超小型导电通道。 这一有趣的现象引起了铁电材料中导电畴壁的研
究热潮。 2012 年,Schröder 等 [10] 在铌酸锂中首次发现在超带隙光(240 ~ 310 nm) 辐照下导电畴壁的存在。
早在 1973 年,Vul 等 [52] 就提出了铁电畴壁具有比周围体畴更好的导电性,认为对于不同的极化结构,畴
壁处会聚集相当多的自由载流子去屏蔽畴壁两侧体畴内的束缚电荷,从而降低畴壁处的电阻。 直到 2009
年,Seidel 等 [12] 利用导电原子力显微镜( conductive-atomic force microscope, c-AFM) 直接测量了铁酸铋中不
Hale Waihona Puke ( The MOE Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics, School of Physics and TEDA Applied Physics Institute,
Nankai University, Tianjin 300071, China)
中图分类号:O738
文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2024)03-0395-15
Conductive Domain Wall and Its Applications in Lithium Niobate
ZHANG Yuchen, LI Sanbing, XU Jingjun, ZHANG Guoquan
第 53 卷
铒( ErMnO3 ,EMO) [17] 、钛酸钡( BaTiO3 ,BTO) [18] 、磷酸钛氧钾( KTiOPO4 ,KTP) [19-21] 等。 通常来说,畴壁宽度
在纳米尺度 [22-24] ,这样就在绝缘的母体材料中形成了纳米尺度的畴壁导电通道,在纳米光电子学领域具有
广阔的应用前景,如非易失性存储器 [25-27] 、逻辑门开关 [28] 及压力传感器 [29] 等。
(domain wall, DW) [1] 。 铁电材料的畴壁可通过畴反转技术人为地操控,这意味着伴随着反转畴的出现、扩
张或消失,畴壁可以被创建、移动和抹除 [2-4] ,畴壁的这种结构可控、性能可调的特点引起了广泛的关注。 畴
壁处由于自发极化连续性的破坏,展示出了不同于母体材料的新颖物理特性,比如导电增强效应 [5] 、光生伏
极化连续性的破坏,大量带相反电荷极性的自由载流子会积累在畴壁处去补偿畴壁附近体畴内的束缚电荷,
这也是畴壁导电性能增强的一个主要原因 [5,56] 。 对铌酸锂而言,晶体中存在着大量的本征缺陷 ( 反位铌
Nb4Li+ 和锂空位 V Li- ) [57] ,体畴内本征缺陷和畴壁的相互作用可能使畴壁处自发极化强度降低或部分消失 [58] 。
Key words:lithium niobate; conductive domain wall; p-n junction; thin film; ferroelectric; nano-opto-electronics
0 引 言
铁电材料中,自发极化取向相同的区域称为畴, 畴和畴之间超薄的界面称为铁电畴壁, 或简称畴壁
调制器 [38] 、单模激光器 [39] 、全光开光 [40] 、光波导 [41] 及光学频率梳 [42-43] 等。 然而,铌酸锂由于较宽的带隙
( ~ 4 eV) [44] ,在常温下电导率极低( 通常低于 10 - 15 Ω - 1 ·cm - 1 ) [45-46] ,是一种宽带隙绝缘铁电材料,这也让
壁处对束缚电荷的补偿,而且畴壁的导电行为与自由载流子浓度密切相关 [5,10] 。
第3 期
张煜晨等:铌酸锂导电畴壁及其应用
opto-electronics integrated chips based on LN. This paper provides a concise review on the study of DWs in LN, including the
fabrication techniques, the conduction mechanism and types of DWs as well as the development of applications based on DWs,
铌酸锂是一种多功能的单轴铁电材料,在居里温度( 约 1 210 ℃ ) 以下沿晶体 c 轴具有较大的自发极化
强度( P s ,室温下约 70 μC / cm2 ) [30-31] 。 此外,铌酸锂还具有较宽的透明窗口(0. 4 ~ 5 μm) [32] ,显著的非线性
光学效应、声光效应和电光效应等 [33] ,广泛应用于电光调制器 [34] 、波长转换器 [35-36] 、光参量振荡器 [37] 、声光
电缺陷在畴壁处的积累或者是自由载流子的补偿等。 这些理论模型在铁酸铋、锰酸铒及铌酸锂等材料体系
中得到了相应的验证。 比如有研究者认为铁酸铋中畴壁导电与畴壁处电子带隙的降低有关 [12,23,53] ;Mundy
等 [54] 认为锰酸铒中由少数载流子主导的电子型( n 型) 导电畴壁是由于束缚电荷造成能带大幅弯曲,从而形
( DW) , serving as a nanoscale conductive path embedded in the insulating materials and showing important application
prospects in non-volatile memristor, logic gate, and transistor, etc. , promoted the application of LN in the field of nano-optoelectronics. The realization of DW p-n junction in LN on an insulator ( LNOI) is expected to push forward the development of
摘要:铌酸锂( LiNbO3 ,LN) 是一种多功能的单轴铁电材料,广泛应用于光学调制器、光学频率梳、光波导等领域。 导电
畴壁( DW) 作为镶嵌在绝缘材料中纳米尺度的导电通道,在非易失性存储器、逻辑门、晶体管等领域展现出重要的应
用前景,促进了铌酸锂在纳米光电子学领域的应用。 绝缘体上铌酸锂薄膜( LNOI) 畴壁 p-n 结的实现有望进一步促进
铌酸锂在电子学领域的应用受限。 导电畴壁的出现,重新燃起了铌酸锂在纳米光电子学领域发展的希望之
火,开发了诸如电阻开关 [47] 、忆阻器 [48] 、逻辑门 [49] 及晶体管 [50] 等潜在应用。 相比于以铁酸铋、锰酸铒等材
料作为畴壁电子学器件的载体,铌酸锂的畴壁结构和调控简单,畴壁导电性能稳定,更重要的是,薄膜铌酸锂