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《湖南大学》 2012年
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钙钛矿超导/铁电/铁磁薄膜与异质结制备及物性研究

夏丰金  
【摘要】:本论文系统地研究了钙钛矿结构高温超导体、铁电材料以及超大磁阻(CMR)锰氧化物薄膜与异质结的结构、表面、界面特性以及输运性质。所有的薄膜样品和异质结样品均利用脉冲激光烧蚀(PLD)方法沉积在单晶SrTiO_3(STO)衬底上,X射线衍射检测表明这些薄膜具有良好的结晶特性和轴外延取向。利用透射电子显微镜分析了多层膜界面的形貌结构,结果表明异质结界面清晰,无明显结构扩散产生。采用原子力显微镜和扫描电子显微镜对薄膜表面形貌特性进行了表征,结果表明在最佳沉积条件下得到的CMR锰氧化物和铁电材料薄膜表面形貌平整,颗粒均匀,适合多层膜异质结的制备。利用物理特性测试系统对最佳掺杂的电子型铜氧化物超导体La_(1.89)Ce_(0.11)CuO_4(LCCO)和La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3(LSMO)薄膜的电学性能进行了表征,得到其表面电阻率和载流子浓度均在10-4Ω cm和1021cm-3量级。本论文重点对异质结电输运特性进行了测试,并对结果进行了细致的分析。 根据异质结的不同结构,本论文由三个方面的研究工作构成: 1. La_(1.89)Ce_(0.11)CuO_4/Ba_(0.5)Sr_(0.5)TiO_3/La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3异质结输运特性研究 采用PLD方法在STO (001)衬底上分别制备了LSMO、绝缘性铁电体Ba_(0.5)Sr_(0.5)TiO_3(BST)和钙钛矿结构LCCO超导薄膜。在此基础上制备了LCCO/LSMO、LCCO/BST、BST/LSMO、LCCO/BST/LSMO多种异质结,并对其结构和表面特性进行了表征。通过对异质结的I-V特性测量发现:(1)LCCO/LSMO异质结不具有单向导电特性。采用耗尽层厚度计算可知由于两种薄膜载流子浓度太高,界面处形成的耗尽层太薄,难以实现单向导电特性。(2)LCCO/BST、BST/LSMO异质结I-V曲线具有微弱的不对称特性,分析表明铁电BST绝缘层在异质结整流特性上起到关键的作用。(3) LCCO/BST/LSMO异质结有最佳单向导电特性。运用传统半导体扩散理论、能带理论、耗尽层模型分析了钙钛矿结构薄膜异质结单向导电特性产生的原因,结果表明异质结界面耗尽层的宽度与两侧载流子浓度对单向导电特性的产生至关重要,另外还受多种作用的影响,值得进一步深入探讨。 2. La_(1.89)Ce_(0.11)CuO_3/SrTiO_3/La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3异质结输运特性研究 为了甄别BST薄膜铁电性对异质结I-V特性的影响,通过采用相同工艺在STO(001)衬底上制备了不同STO厚度的LCCO/STO/LSMO p-i-n异质结。测量发现当STO厚度处于15至30nm之间时,异质结均呈现明显的整流效应,当STO厚度为20nm时异质结在测试范围内不对称特性最好。采用耗尽层宽度计算公式可知当STO的厚度在21nm附近时,异质结具有最佳的不对称特性,这与实验结果相一致。运用能带理论分析了LCCO/STO/LSMO异质结的能带弯曲对输运特性效应的影响。实验结果与理论分析表明,BST薄膜的铁电特性并非异质结整流所必须的,中间层的绝缘性为异质结提供足够厚度的耗尽势垒是导致p-i-n异质结产生整流效应的关键。 3. La1-xSrxMnO_3/Nb-SrTiO_3异质结输运特性的研究 利用PLD方法在0.7wt%Nb掺杂的STO衬底上沉积了不同组分的CMRLa1-xSrxMnO_3(x=0.1~0.6)薄膜,通过紫外光刻和氩离子刻蚀等微加工手段制备了一系列的pn结。通过测量异质结I-V特性随温度的变化规律,发现随着温度的降低,异质结阈值电压升高,这与常规半导体pn结的行为一致。通过分析电流随偏压的变化关系,发现界面漏电电流对异质结的整流效应有重要影响。在外加交流信号作用下研究了异质结的整流特性,发现随着频率的升高,整流效果会变差,这是由于异质结电容容抗随频率的升高而降低的结果。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O484.1

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