钴氧化物薄膜离子调控的相变和物性研究
发布时间：2022-01-11 02:06
过渡金属氧化物属于强关联电子体系,其材料内部的晶格、电荷、轨道、自旋相互耦合产生了诸多重要的物理现象,如超导、巨磁阻效应、金属绝缘体转变、磁有序等。近年来,随着材料离子调控研究的不断深入,越来越多材料的物理、化学性质可以通过控制材料中离子的转移进行调节。因此,对于过渡金属氧化物而言,离子也应看作决定材料物理性质的一个自由度。对材料进行离子调控,不仅可以改变材料的物理性质。而且,控制离子转移的过程在固体氧化物燃料电池、储氢材料等能源领域具有重要用途。在自然界中,钴元素的价态丰富,这也为在钴氧化物实现离子调控提供了天然的优势条件。因此,钴氧化物也被认为是研究过渡金属氧化物离子调控的突破口。本文以钴氧化物作为范例,分别利用电流效应、退火和离子液体门电压三种方法对材料进行离子调控。获得的主要结果包括:1. 利用电流效应和温度循环相结合在薄膜中实现了局域的氧缺陷调制,提出了一种全新的应变依赖的氧缺陷调控手段。实验结果显示,在连续的循环输运测试下,（011）-La0.7Sr0.3Co O3/Pb(Mg1/3Nb...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
元素周期表
钴氧化物薄膜离子调控的相变和物性研究2过渡金属氧化物的研究背景过渡金属氧化物属于强关联电子体系，其丰富的电子相源于过渡金属氧化物中电荷、自旋、轨道、晶格之间复杂的相互作用[13]。因此，过渡金属氧化物中强关联行为的研究一直是凝聚态物理领域关注的重要问题。除此之外，可以通过外部物理场调控过渡金属氧化物的磁性、超导、金属绝缘体转变，这为研发先进电子器件提供了有效途径。强关联电子器件的设计原则基于相图（如图1-2所示），以铜氧化物超导体的相图为例。SC和AF分别表示材料的超导相和反铁磁相，可以通过改变元素的掺杂浓度来控制材料是否为超导相。同时，可利用电尝磁场等其它变量调控材料的磁性、电性，使其处在不同的状态，进而可发生具备存储或逻辑运算的基础信号。只利用传统的半导体很难实现这些新奇的功能特性。图1-2n型掺杂和p型掺杂超导体相图。图中标注了超导态(SC)、反铁磁态(AF)、赝带隙(Pseudogap)和正常金属(“NormalMetal”)的区域。[14]Figure1-2Phasediagramofn-andp-typesuperconductors,showingsuperconductivity(SC),antiferromagnetic(AF),pseudogap,andnormal-metalregions伴随着分子束外延技术和脉冲激光沉积技术的兴起，过渡金属氧化物薄膜的生长工艺越来越成熟。当传统互补型金属氧化物半导体晶体管的性能已经达到瓶颈的时候，过渡金属氧化物薄膜及其异质结的发展随之而来。传统半导体晶体管的瓶颈，部分来源于Si的局限性。载流子迁移率的限制和载流子浓度的波动可能会导致短通道效应。当晶体管缩小到更小尺寸时，这种效应会变得更加明显。过渡金属氧化物在电子学发展中的潜力巨大，已经成为国际半导体技术中的新兴研究材料。
第1章绪论3过渡金属氧化物的电子轨道图1-3ABO3钙钛矿结构晶胞示意图（左）和五个d轨道的示意图（右）。在立方晶格场下，五重简并的d轨道会劈裂为两个轨道eg轨道(22和322)和三个t2g轨道轨道(dxy，dyz和dzx)。[15]Figure1-3SchematicdiagramofperovskitestructuralABO3andfivedorbitals.Inthecubiccrystalfield,thisfivefolddegeneracyisliftedtotwoegorbitals(22and322)andthreet2gorbitals(dxy，dyzanddzx).一个电子的量子力学波函数可以根据和原子核相互作用的不同而拥有不同的形状。以ABO3型钙钛矿结构过渡金属氧化物为例（如图1-3所示），一个过渡金属离子周围有六个O2-离子环绕，这将会产生晶体常晶体场会使原本简并的d轨道发生劈裂，使得电子不能够自由运动，同时也抑制了轨道角动量。指向O2-离子的波函数能量高于指向O2-离子之间间隙的波函数能量，前者所对应的轨道为22和322，统称为eg轨道，后者对应的轨道为dxy，dyz和dzx，统称为t2g轨道[15]。d轨道发生退简并后，晶格会进一步发生畸变以达到能量最低，这种晶格畸变叫做Jahn-Teller畸变，Jahn-Teller畸变会导致eg轨道和t2g轨道进一步发生劈裂（如图1-4所示）。Jahn-Teller畸变具有多种模式，其中常见的有Q2模式和Q3模式。Q2模式为平面内对角的一对O2-离子靠近B位金属离子，另外一对O2-离子远离B位金属离子，上下顶角的一对O2-离子基本不动，这种畸变会使322轨道的能量高于22轨道的能量。Q3模式为平面内四个O2-离子靠近B位金属离子，上下顶角的一对O2-离子远离B位金属离子，这种畸变会使322轨道的能量低于22轨道的能量[16]。晶体场和Hund定则共同决
【参考文献】：
期刊论文
[1]Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements[J]. Yi Cui,Gehui Zhang,Haobo Li,Hai Lin,Xiyu Zhu,Hai-Hu Wen,Guoqing Wang,Jinzhao Sun,Mingwei Ma,Yuan Li,Dongliang Gong,Tao Xie,Yanhong Gu,Shiliang Lie,Huiqian Luo,Pu Yu,Weiqiang Yu. Science Bulletin. 2018(01)
本文编号：3581865
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
元素周期表
钴氧化物薄膜离子调控的相变和物性研究2过渡金属氧化物的研究背景过渡金属氧化物属于强关联电子体系，其丰富的电子相源于过渡金属氧化物中电荷、自旋、轨道、晶格之间复杂的相互作用[13]。因此，过渡金属氧化物中强关联行为的研究一直是凝聚态物理领域关注的重要问题。除此之外，可以通过外部物理场调控过渡金属氧化物的磁性、超导、金属绝缘体转变，这为研发先进电子器件提供了有效途径。强关联电子器件的设计原则基于相图（如图1-2所示），以铜氧化物超导体的相图为例。SC和AF分别表示材料的超导相和反铁磁相，可以通过改变元素的掺杂浓度来控制材料是否为超导相。同时，可利用电尝磁场等其它变量调控材料的磁性、电性，使其处在不同的状态，进而可发生具备存储或逻辑运算的基础信号。只利用传统的半导体很难实现这些新奇的功能特性。图1-2n型掺杂和p型掺杂超导体相图。图中标注了超导态(SC)、反铁磁态(AF)、赝带隙(Pseudogap)和正常金属(“NormalMetal”)的区域。[14]Figure1-2Phasediagramofn-andp-typesuperconductors,showingsuperconductivity(SC),antiferromagnetic(AF),pseudogap,andnormal-metalregions伴随着分子束外延技术和脉冲激光沉积技术的兴起，过渡金属氧化物薄膜的生长工艺越来越成熟。当传统互补型金属氧化物半导体晶体管的性能已经达到瓶颈的时候，过渡金属氧化物薄膜及其异质结的发展随之而来。传统半导体晶体管的瓶颈，部分来源于Si的局限性。载流子迁移率的限制和载流子浓度的波动可能会导致短通道效应。当晶体管缩小到更小尺寸时，这种效应会变得更加明显。过渡金属氧化物在电子学发展中的潜力巨大，已经成为国际半导体技术中的新兴研究材料。
第1章绪论3过渡金属氧化物的电子轨道图1-3ABO3钙钛矿结构晶胞示意图（左）和五个d轨道的示意图（右）。在立方晶格场下，五重简并的d轨道会劈裂为两个轨道eg轨道(22和322)和三个t2g轨道轨道(dxy，dyz和dzx)。[15]Figure1-3SchematicdiagramofperovskitestructuralABO3andfivedorbitals.Inthecubiccrystalfield,thisfivefolddegeneracyisliftedtotwoegorbitals(22and322)andthreet2gorbitals(dxy，dyzanddzx).一个电子的量子力学波函数可以根据和原子核相互作用的不同而拥有不同的形状。以ABO3型钙钛矿结构过渡金属氧化物为例（如图1-3所示），一个过渡金属离子周围有六个O2-离子环绕，这将会产生晶体常晶体场会使原本简并的d轨道发生劈裂，使得电子不能够自由运动，同时也抑制了轨道角动量。指向O2-离子的波函数能量高于指向O2-离子之间间隙的波函数能量，前者所对应的轨道为22和322，统称为eg轨道，后者对应的轨道为dxy，dyz和dzx，统称为t2g轨道[15]。d轨道发生退简并后，晶格会进一步发生畸变以达到能量最低，这种晶格畸变叫做Jahn-Teller畸变，Jahn-Teller畸变会导致eg轨道和t2g轨道进一步发生劈裂（如图1-4所示）。Jahn-Teller畸变具有多种模式，其中常见的有Q2模式和Q3模式。Q2模式为平面内对角的一对O2-离子靠近B位金属离子，另外一对O2-离子远离B位金属离子，上下顶角的一对O2-离子基本不动，这种畸变会使322轨道的能量高于22轨道的能量。Q3模式为平面内四个O2-离子靠近B位金属离子，上下顶角的一对O2-离子远离B位金属离子，这种畸变会使322轨道的能量低于22轨道的能量[16]。晶体场和Hund定则共同决
【参考文献】：
期刊论文
[1]Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements[J]. Yi Cui,Gehui Zhang,Haobo Li,Hai Lin,Xiyu Zhu,Hai-Hu Wen,Guoqing Wang,Jinzhao Sun,Mingwei Ma,Yuan Li,Dongliang Gong,Tao Xie,Yanhong Gu,Shiliang Lie,Huiqian Luo,Pu Yu,Weiqiang Yu. Science Bulletin. 2018(01)
本文编号：3581865
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