近日，孙文红教授领导的光电材料与器件研究团队在GaN基衬底调制无铅铁电薄膜的电卡效应研究方面取得重大突破，研究论文以“Pure negative electrocaloric effect achieved by SiN/p-GaN composite substrate”为题被国际顶尖学术期刊《Nano Energy》杂志接收发表。
铁电薄膜的电卡制冷作为一种新型清洁高效的制冷手段，在医疗、电子元件及军事等领域具有广阔的应用前景。它的实际应用主要面临两个关键挑战：一是需要优异的冷却性能；第二是拥有宽的工作温度范围。目前，随着先进制备技术的发展，已经有许多方法可以改善材料的正电卡效应和工作温度范围。然而，很少有策略能够显著调节负电卡效应及其工作温度范围，尤其是对环境友好的无铅材料。氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，一般为六方纤锌矿结构，拥有很强的自发极化，具有大带隙、导热性好、耐腐蚀等独特优点，在光电子、大功率和高频器件领域中有着非常广泛的应用。同时，GaN衬底的六方结构很容易触发上层薄膜中菱形相的生长，这将显著影响薄膜的负电卡性能。但是GaN衬底触发生长的菱形相往往都集中在薄膜的交界处，为了进一步提高薄膜的负电卡性能，对薄膜结构的进一步调控是必要的。
通过结构模拟计算，我们发现相比于使用p-GaN衬底，SiN/p-GaN复合衬底更有利于上层薄膜中菱形相的形成。这是因为GaN的六方结构很容易触发生成菱形相的SiN，并且我们将SiN缓冲层的厚度控制在30 nm左右，这样可以最大限度的提高SiN缓冲层中菱形相的比例。随后再用带有菱形相的SiN/p-GaN作为复合衬底，将会更容易诱导上层薄膜的菱形相产生。
我们在SiN/p-GaN复合衬底和Pt/Si衬底上使用溶胶—凝胶法制备了掺Mn的BaTiO3薄膜(Mn-BTO)。结果表明，通过SiN/p-GaN复合衬底的调制作用，使得沉积在Pt/Si衬底上的Mn-BTO薄膜的负电卡效应由− 0.80 K提升至了− 2.94 K，同时工作温度范围(FWHMΔT)从136 K扩宽到了186 K。HRTEM测试证实了薄膜中间部位存在大量菱形相，这些菱形相极大地提升了薄膜的负电卡性能，同时验证了结构模拟计算的结果。该成果表明在SiN/p-GaN复合衬底上制备铁电薄膜可以在整个薄膜中形成纳米级的菱形相，从而大大改善负电卡效应，为在宽工作温度范围内制备高负电卡性能的薄膜提供了一条切实可行的途径。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107195
论文作者：陈捷(硕士生), 彭彪林(通讯作者)，孙文红(通讯作者)