应变对ZnO基薄膜和钙钛矿异质结特性的调控研究

发布时间：2018-01-10 08:13

  本文关键词：应变对ZnO基薄膜和钙钛矿异质结特性的调控研究　出处：《电子科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着ZnO基薄膜和钙钛矿型异质结体系的广泛应用,针对该材料的研究日渐深入,应变作为调节材料物性的重要手段,在实际的薄膜制备过程中可以通过基板的选择和制备条件的改变来引入。本文以单层的ZnO基薄膜和双层的钙钛矿型异质结薄膜体系为研究对象,并结合当前两类材料研究的热点,从实验和模拟的角度出发,对应变和单双层薄膜材料物性的依赖关系进行了系统研究,主要研究内容分为以下四个部分:一,采用第一性原理研究不同等静压应变和单轴应变作用下,纤锌矿ZnO材料的结构属性和电子属性变化,以及应变对ZnO材料电子的有效质量和迁移特性的影响。结果表明,在大的z轴单轴压应变作用下,ZnO从纤锌矿结构变为类石墨结构,同时发生直接带隙到间接带隙的转变。在沿z轴大约7%应变的等静压作用下,ZnO从纤锌矿结构变为类金刚石结构。不同应变下电子有效质量的研究结果表明单轴应变下电子有效质量变化不明显,而在等静压情况下,当z轴应变从压应变变为拉应变时,电子有效质量逐渐变小,这表明等静压拉应变能有效提高ZnO的迁移率。二,对典型的透明导电Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜的微观结构,光电特性和残余应力应变进行实验表征后发现其光学禁带宽度随着载流子浓度和z轴方向应变的变化呈线性变化趋势。但是通过以前研究提出的各种理论模型都无法对本文薄膜禁带宽度随着载流子浓度的变化给出合理的解释,因此我们将光学禁带宽度的异常移动归结于薄膜内应变作用,同时通过第一性原理计算从理论上对禁带宽度对应变的依赖关系给出了分析和解释。三,采用第一原理模拟研究LaAlO_3/KTaO_3(LAO/KTO)异质结界面二维电子气的形成机理,以及双轴应变和单轴应变对体系电子局域特性和迁移特性的影响。研究结果表明LAO/KTO异质结体系界面处的两施主电子层导致该体系不存在金属—绝缘体临界转变厚度,即使在LAO薄膜很薄的情况下,体系始终存在二维电子气,而且电子气的密度明显高于相同结构下的LaAlO_3/SrTiO_3(LAO/STO)体系。进一步的应变调控研究表明双轴和单轴的拉应变能够让LAO/KTO异质结的界面电子更局域,而且双轴的拉应变相比单轴的拉应变具有更好的调节作用,同时双轴拉应变作用下的体系相比无应变和拉应变作用下的体系具有更好的界面电子局域性,出现该情况的主要原因是异质结薄膜层中的极化强度对不同应变的敏感程度不一致。双轴应变能够有效的调节界面电子的迁移特性,而单轴应变对界面电子迁移率特性基本无调节作用,同时双轴的压应变作用下的体系相比无应变和拉应变作用下的体系具有更好的界面电子迁移特性。四,参考研究者提出的变形弯曲的LaO/TiO_2(110)界面结构建立模型,使用第一性原理模拟方法系统的研究LAO/STO(110)异质结二维电子气的形成机理,以及双轴应变对体系的绝缘体—金属转变厚度的影响,并结合实验结果给出了具体的分析。研究结果表明LAO/STO(110)异质结二维电子气形成的原因主要是在异质结界面处存在极性的不连续,使得电子从LAO薄膜转移到STO基板上。应变对异质结体系转变厚度的理论研究表明无应变体系的转变厚度是5个原胞。当体系受到-4%的压应变时,LAO薄膜内的极化强度变小,该转变厚度减小为4个原胞。当体系受到拉应变时,LAO薄膜内的极化强度呈现变大的趋势,导致体系转变厚度增加。这些理论模拟的结果很好的解释了实验中出现的不同现象,同时,这些结论也将更好的指导试验中对该两类材料体系特性的调控,以便将其更好的应用于纳米电子器件中。
[Abstract]:In this paper , the structure properties of ZnO and the change of electron properties and the influence of strain on the physical properties of ZnO materials are studied . The results of these theoretical simulations are good to explain the different phenomena in the experiments , and these conclusions will also provide better guidance to the regulation of the properties of the two types of materials in order to better apply them to the nano - electronic devices .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ132.41;TB383.2

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本文编号：1404502