多功能一體化的光電邏輯門(OLEGs)可快速實現(xiàn)信息處理和傳輸,在通訊技術(shù)、人工智能和計算系統(tǒng)等領域頗有潛力。具有差異性光電響應的光電探測器是OLEGs的重要組成部分。通常,傳統(tǒng)的半導體光電探測器需要構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)或結(jié)合多種光-電輸入形式才能夠?qū)崿F(xiàn)差異化光電響應,增加了器件設計的復雜性。

鐵電材料是具有自發(fā)極化并且自發(fā)極化可隨外電場重新取向的功能材料,在光場作用下具有反常光伏效應和光致熱釋電效應,且其大小和方向依賴鐵電極化,為通過鐵電極化設計實現(xiàn)OLEGs提供了可能。

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員易志國團隊在多功能一體化鐵電光電邏輯器件研究方面取得進展。該團隊采用將金屬Ti粉與0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3?(BZT-BCT)陶瓷粉末混合的共燒技術(shù),制備出Ti3+自摻雜的BZT-BCT陶瓷晶片。這一陶瓷晶片同時具有明顯的光伏響應和光致熱釋電響應,Ti粉含量為3%的樣品BZT-BCT-3T,比純BZT-BCT陶瓷光電性能提升2.5倍左右。

進一步,該研究在BZT-BCT-3T陶瓷表面設計了平面三電極結(jié)構(gòu),并對三個電極的間隙區(qū)域進行差異性極化。在可控激光照射下,輸出電路實現(xiàn)了區(qū)域依賴的光電流響應;在LED全區(qū)域照射下,輸出電路產(chǎn)生穩(wěn)定的光伏電流。以此為基礎,研究在單一陶瓷晶片表面實現(xiàn)了五種全光控的光電邏輯門即AND、OR、NOT、NAND和NOR。

這一成果具有器件結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點以及通過極化控制實現(xiàn)差異性光電流方案的普適性,有望拓展至其他鐵電材料體系。

近日,相關研究成果以All light controlled five state logic gates on a ferroelectric ceramic chip為題,發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新團隊會員項目等的支持。