本文主要研究内容
作者张瑜（2019）在《氧化物异质结界面二维电子气的电性和磁性研究》一文中研究指出：原子级别精确控制氧化物薄膜的层状生长为设计具有新奇物理现象的人工微结构创造了机遇。两种绝缘体氧化物异质结界面存在具有高迁移率的二维电子气（Two-dimensional electron gas,2DEG）,例如LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）。利用尖晶石γ-Al2O3或者非晶氧化物等替换钙钛矿LAO时,仍然能够获得2DEG。此外,研究发现这类氧化物2DEG表现出有别于块材的诸多性质,例如超导性、铁磁性、自旋轨道相互作用、量子霍尔效应等,得到了科研工作者的广泛关注,为实现新一代全氧化物电子器件提供了可能。在本博士论文中,通过利用脉冲激光沉积技术成功地制备了高质量的氧化物薄膜和具有高迁移率的氧化物异质结界面2DEG。通过变化衬底表面的Ti-O结构、引入磁性掺杂技术、以及施加外电场等方式对界面2DEG的输运性质和磁学性质等进行了有效地调控。获得的主要成果如下:1.经典体系LAO/STO异质结界面的2DEG不具有自旋极化的特性,限制了氧化物2DEG在自旋电子器件中的应用。在本论文中,通过向LAO/STO界面插入一个单胞层厚度的铁磁性绝缘体BaFeO3（BFO）薄膜制备具有高迁移率的自旋极化的2DEG。相对于LAO/STO异质结,LaAlO3/BaFeO3/SrTiO3（LAO/BFO/STO）异质结界面2DEG的载流子浓度较低,表现为单种载流子导电,同时具有较高的迁移率。当温度低于10K时,该2DEG表现出反常霍尔效应,说明为铁磁有序。通过超导量子干涉仪和X射线磁圆二色性谱测试验证了异质结中BFO缓冲层的铁磁性以及由于磁性临界效应导致的2DEG的铁磁性。除此之外,通过向STO衬底背面施加电场成功地调控了界面2DEG的物理性质,例如Kondo效应、Rashba自旋轨道耦合以及反常霍尔效应等。2.异质结界面2DEG的形成机制始终是氧化物电子学中的一个研究课题。在异质结的制备过程中,界面发生的氧化还原反应可以导致2DEG的形成,其中的一个经典体系为amorphous-LAO/STO（a-LAO/STO）异质结。在本论文中,通过利用Ti-O键角不同的金红石相单晶TiO2[rutile,TiO2（R）]和锐钛矿相单晶TiO2[anatase,TiO2（A）]替换a-LAO/STO异质结中以TiO2为终止层的STO衬底,实现a-LAO/TiO2界面2DEG的调控。首先,在本论文中成功地制备出a-LAO/TiO2（R）和a-LAO/TiO2（A）异质结,并在界面处获得了 2DEG。其次,输运测试发现a-LAO/TiO2（R）和a-LAO/TiO2（A）界面2DEG的输运性质明显有别于a-LAO/STO界面。最后,结合x射线光电子能谱测试和输运性质的研究,总结出a-LAO/TiO2（R）和a-LAO/TiO2（A）界面的2DEG来源于衬底表面的氧空位,衬底中Ti-O键角的大小会影响氧空位迁移时所需的激活能,导致界面处2DEG的输运性质有差别。3.在γ-Al2O3/STO异质结的基础上,本论文中首次利用带有磁性元素的新型尖晶石MAl2O4（M=Fe,Co,Ni）薄膜替换γ-Al2O3制备出MAl2O4/STO异质结。首先,三种MA12O4薄膜都表现出一直可以持续到室温的铁磁性。其次,就输运性质而言,CoAl2O4/STO和NiAl2O4/STO两个界面都表现出很好的导电性,2DEG的迁移率约为3×104cm-2V-1S-1,与相同环境下制备的γ-Al2O3/STO界面相当。相反,FeAl2O4/STO界面绝缘。此外,当温度低于30 K时,CoAl2O4/STO和NiAl2O4/STO界面均表现出反常霍尔效应,该反常霍尔效应来自于铁磁性薄膜MAl2O4诱导产生的磁性临界效应。然而,相同条件下制备的γ-A1203/STO界面在温度低于5 K时表现出与氧空位相关的反常霍尔效应。4.掺杂作为半导体工业中的关键工具,可以应用到氧化物异质结中。在本论文中,基于γ-Al2O3的结构特征首次提出分数掺杂的概念。每个γ-Al2O3单胞由四个电中性子层构成,用非磁性材料ZnO或磁性材料Fe3O4替代γ-A1203/STO中每个γ-Al2O3单胞中的一个子层来实现分数掺杂,通过调节掺杂层与STO表面间的距离可以调控界面的输运性质。除此之外,被分数掺杂的γ-Al2O3/STO异质结界面在温度低于20K时表现出反常霍尔效应。经过研究发现,被ZnO分数掺杂的异质结界面的反常霍尔效应与γ-Al2O3/STO界面的起源相同,来自于STO表面产生的氧空位。然而,被Fe3O4分数掺杂的γ-Al2O3/STO界面的反常霍尔效应来源于磁性Fe3O4层与界面2DEG之间的交换相互作用。
Abstract
yuan zi ji bie jing que kong zhi yang hua wu bao mo de ceng zhuang sheng chang wei she ji ju you xin ji wu li xian xiang de ren gong wei jie gou chuang zao le ji yu 。liang chong jue yuan ti yang hua wu yi zhi jie jie mian cun zai ju you gao qian yi lv de er wei dian zi qi （Two-dimensional electron gas,2DEG）,li ru LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）。li yong jian jing dan γ-Al2O3huo zhe fei jing yang hua wu deng ti huan gai tai kuang LAOshi ,reng ran neng gou huo de 2DEG。ci wai ,yan jiu fa xian zhe lei yang hua wu 2DEGbiao xian chu you bie yu kuai cai de zhu duo xing zhi ,li ru chao dao xing 、tie ci xing 、zi xuan gui dao xiang hu zuo yong 、liang zi huo er xiao ying deng ,de dao le ke yan gong zuo zhe de an fan guan zhu ,wei shi xian xin yi dai quan yang hua wu dian zi qi jian di gong le ke neng 。zai ben bo shi lun wen zhong ,tong guo li yong mai chong ji guang chen ji ji shu cheng gong de zhi bei le gao zhi liang de yang hua wu bao mo he ju you gao qian yi lv de yang hua wu yi zhi jie jie mian 2DEG。tong guo bian hua chen de biao mian de Ti-Ojie gou 、yin ru ci xing can za ji shu 、yi ji shi jia wai dian chang deng fang shi dui jie mian 2DEGde shu yun xing zhi he ci xue xing zhi deng jin hang le you xiao de diao kong 。huo de de zhu yao cheng guo ru xia :1.jing dian ti ji LAO/STOyi zhi jie jie mian de 2DEGbu ju you zi xuan ji hua de te xing ,xian zhi le yang hua wu 2DEGzai zi xuan dian zi qi jian zhong de ying yong 。zai ben lun wen zhong ,tong guo xiang LAO/STOjie mian cha ru yi ge chan bao ceng hou du de tie ci xing jue yuan ti BaFeO3（BFO）bao mo zhi bei ju you gao qian yi lv de zi xuan ji hua de 2DEG。xiang dui yu LAO/STOyi zhi jie ,LaAlO3/BaFeO3/SrTiO3（LAO/BFO/STO）yi zhi jie jie mian 2DEGde zai liu zi nong du jiao di ,biao xian wei chan chong zai liu zi dao dian ,tong shi ju you jiao gao de qian yi lv 。dang wen du di yu 10Kshi ,gai 2DEGbiao xian chu fan chang huo er xiao ying ,shui ming wei tie ci you xu 。tong guo chao dao liang zi gan she yi he Xshe xian ci yuan er se xing pu ce shi yan zheng le yi zhi jie zhong BFOhuan chong ceng de tie ci xing yi ji you yu ci xing lin jie xiao ying dao zhi de 2DEGde tie ci xing 。chu ci zhi wai ,tong guo xiang STOchen de bei mian shi jia dian chang cheng gong de diao kong le jie mian 2DEGde wu li xing zhi ,li ru Kondoxiao ying 、Rashbazi xuan gui dao ou ge yi ji fan chang huo er xiao ying deng 。2.yi zhi jie jie mian 2DEGde xing cheng ji zhi shi zhong shi yang hua wu dian zi xue zhong de yi ge yan jiu ke ti 。zai yi zhi jie de zhi bei guo cheng zhong ,jie mian fa sheng de yang hua hai yuan fan ying ke yi dao zhi 2DEGde xing cheng ,ji zhong de yi ge jing dian ti ji wei amorphous-LAO/STO（a-LAO/STO）yi zhi jie 。zai ben lun wen zhong ,tong guo li yong Ti-Ojian jiao bu tong de jin gong dan xiang chan jing TiO2[rutile,TiO2（R）]he rui tai kuang xiang chan jing TiO2[anatase,TiO2（A）]ti huan a-LAO/STOyi zhi jie zhong yi TiO2wei zhong zhi ceng de STOchen de ,shi xian a-LAO/TiO2jie mian 2DEGde diao kong 。shou xian ,zai ben lun wen zhong cheng gong de zhi bei chu a-LAO/TiO2（R）he a-LAO/TiO2（A）yi zhi jie ,bing zai jie mian chu huo de le 2DEG。ji ci ,shu yun ce shi fa xian a-LAO/TiO2（R）he a-LAO/TiO2（A）jie mian 2DEGde shu yun xing zhi ming xian you bie yu a-LAO/STOjie mian 。zui hou ,jie ge xshe xian guang dian zi neng pu ce shi he shu yun xing zhi de yan jiu ,zong jie chu a-LAO/TiO2（R）he a-LAO/TiO2（A）jie mian de 2DEGlai yuan yu chen de biao mian de yang kong wei ,chen de zhong Ti-Ojian jiao de da xiao hui ying xiang yang kong wei qian yi shi suo xu de ji huo neng ,dao zhi jie mian chu 2DEGde shu yun xing zhi you cha bie 。3.zai γ-Al2O3/STOyi zhi jie de ji chu shang ,ben lun wen zhong shou ci li yong dai you ci xing yuan su de xin xing jian jing dan MAl2O4（M=Fe,Co,Ni）bao mo ti huan γ-Al2O3zhi bei chu MAl2O4/STOyi zhi jie 。shou xian ,san chong MA12O4bao mo dou biao xian chu yi zhi ke yi chi xu dao shi wen de tie ci xing 。ji ci ,jiu shu yun xing zhi er yan ,CoAl2O4/STOhe NiAl2O4/STOliang ge jie mian dou biao xian chu hen hao de dao dian xing ,2DEGde qian yi lv yao wei 3×104cm-2V-1S-1,yu xiang tong huan jing xia zhi bei de γ-Al2O3/STOjie mian xiang dang 。xiang fan ,FeAl2O4/STOjie mian jue yuan 。ci wai ,dang wen du di yu 30 Kshi ,CoAl2O4/STOhe NiAl2O4/STOjie mian jun biao xian chu fan chang huo er xiao ying ,gai fan chang huo er xiao ying lai zi yu tie ci xing bao mo MAl2O4you dao chan sheng de ci xing lin jie xiao ying 。ran er ,xiang tong tiao jian xia zhi bei de γ-A1203/STOjie mian zai wen du di yu 5 Kshi biao xian chu yu yang kong wei xiang guan de fan chang huo er xiao ying 。4.can za zuo wei ban dao ti gong ye zhong de guan jian gong ju ,ke yi ying yong dao yang hua wu yi zhi jie zhong 。zai ben lun wen zhong ,ji yu γ-Al2O3de jie gou te zheng shou ci di chu fen shu can za de gai nian 。mei ge γ-Al2O3chan bao you si ge dian zhong xing zi ceng gou cheng ,yong fei ci xing cai liao ZnOhuo ci xing cai liao Fe3O4ti dai γ-A1203/STOzhong mei ge γ-Al2O3chan bao zhong de yi ge zi ceng lai shi xian fen shu can za ,tong guo diao jie can za ceng yu STObiao mian jian de ju li ke yi diao kong jie mian de shu yun xing zhi 。chu ci zhi wai ,bei fen shu can za de γ-Al2O3/STOyi zhi jie jie mian zai wen du di yu 20Kshi biao xian chu fan chang huo er xiao ying 。jing guo yan jiu fa xian ,bei ZnOfen shu can za de yi zhi jie jie mian de fan chang huo er xiao ying yu γ-Al2O3/STOjie mian de qi yuan xiang tong ,lai zi yu STObiao mian chan sheng de yang kong wei 。ran er ,bei Fe3O4fen shu can za de γ-Al2O3/STOjie mian de fan chang huo er xiao ying lai yuan yu ci xing Fe3O4ceng yu jie mian 2DEGzhi jian de jiao huan xiang hu zuo yong 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学院大学(中国科学院物理研究所)的张瑜，发表于刊物中国科学院大学(中国科学院物理研究所)2019-07-19论文，是一篇关于氧化物二维电子气论文,铁磁性薄膜论文,键角论文,铁磁性薄膜论文,分数掺杂论文,中国科学院大学(中国科学院物理研究所)2019-07-19论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学院大学(中国科学院物理研究所)2019-07-19论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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