LaAlO 3 /SrTiO 3 异质结界面新奇物性的探索
发布时间：2021-11-28 22:19
随着科技的快速发展,传统半导体电子器件的性能已经逼近理论极限。于是,低维体系的发展开始引起人们巨大的关注。二维体系,由于具有非常丰富的新奇物性和高度的可调性,在未来各种新型电子器件的发展中大有可为。过渡金属氧化物异质结界面系统是一种典型的二维体系。自从Ohtomo和Hwang在2004年发现钙钛矿型氧化物绝缘体LaAlO3（LAO）和SrTio3（STO）界面可以产生一个高迁移率的二维电子系统（2DES）以来,过渡金属氧化物界面的研究得到了长足的发展。LAO/STO界面具有极其丰富的新奇物性,包括使界面导电的LAO临界层厚的存在、非单调栅压可调的自旋轨道耦合（SOC）和超导电性、超导和磁性的共存以及栅压可调的铁弹畴序等。但是由于界面的复杂性,界面很多物性的起源还不清楚,物性之间的关联或相互影响也仍然扑朔迷离,更是有很多新的物性有待人们去探索和发现。本工作中,我们利用脉冲激光沉积技术生长了高质量的LAO/STO异质结,并用它们制备了金属/LAO/STO隧穿结器件和霍尔器件,对界面2DES中的新奇物性进行了深入地探索。我们的工作主要包括三个方面:第一,我们在钛/LAO/STO隧穿结中发现三...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１过渡金属氧化物中电荷、自旋、轨道和?图１．２?ＬＡＯ／ＳＴＯ界面２ＤＥＳ??晶格之间存在很强的耦合丨２】
?第１章绪?论???１．２．１晶体结构和铁弹铁电??图１．３是ＳＴＯ的晶体结构，可以看成是Ｔｉ０２层和ＳｒＯ层堆垛而成，Ｔｉ离子被??氧原子包围Ｔｉ０６八面体。在室温下ＳＴＯ是理想的立方结构，空间群是Ｐｍｉｍ，??晶格常数为３．９０５?Ａ?（图１．３?（ａ））。温度和压力的改变可以使ＳＴＯ偏离立方结构，??最典型的两种扭曲形式是：阳离子和阴离子的反向移动产生的铁电移位（图１．３??（ｂ））以及相邻的丁１０６氧八面体的反向旋转产生的反铁扭曲（图１．３?（ｃ））。??一般来说，每一个ＡＢ０３钙钛矿都有一个Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容差因子ｆ?＝??“：＋：?）［９］，ｒＡ、ｒＢ和分别是Ａ位离子、Ｂ位离子和氧离子的半径。由Ｇｏｌｄ－??ｓｃｈｍｉｄｔ容差因子ｆ可以判断那种扭曲形式更易发生。如果／＞?１?（如ＢａＴｉ０３，??１．０６３），则铁电移位更易发生；如果／＜１?（如ＣａＴｉ０３，?０．９４６），则反铁扭曲旋转??更易发生。而ＳＴＯ的容差因子非常接近于１，所以这两种扭曲形式都有可能发??生。??当温度降至约１０５?Ｋ以下时，ＳＴＯ会发生反铁扭曲旋转相变［１０］，导致立方??相晶体结构沿着旋转轴方向拉伸变成四方相（图１．３?（ｄ））。因为反铁扭曲可以绕??不同的轴向旋转产生不同方向的四方结构，所以ＳＴ０在相变温度１０５?Ｋ以下会??形成不同方向的铁弹畴。ＬＡＯ／ＳＴＯ界面的不均匀输运和铁电性的产生都与这种??铁弹相变有关［１１－１３］。??ＳＴＯ是少有的量子顺电体之一，也就是说，ＳＴＯ＊＃在电偶极子，但是由??于体系中的量子涨落抑制了电偶极子的长程有序，所以即使温度降至绝对零度，??也不会形成长程铁电序。但是在某些
?第１章绪?论???１．２．２电子结构??在立方相ＳＴＯ中，氧八面体会在Ｔｉ原子上产生一个晶体场使原本简并的５??个３ｄ轨道劈裂成更低能量的３个简并的ｆ２ｇ轨道（ｘ＞＞，％，ｘｚ）和更高能量的２??个简并的ｅｇ轨道（ｘ２?—ｙ２，?３ｚ２?－?ｒ２）（如图１．４?（ａ））。劈裂后Ｔｉ３ｃｆ轨道在ＳＴＯ??中形成导带，而价带主要由氧原子的２ｐ轨道所贡献（如图１．４?（ｂ））。价电子能??量损失谱实验表明ＳＴＯ是一个具有３．２５?ｅＶ间接带隙和３．７５?ｅＶ直接带隙的能带??绝缘体。通过离子掺杂或引入氧空位可以使ｆ２ｇ导带被电子占据，这些占据在ｄ??轨道上的电子具有丰富的轨道自由度、强电子关联效应以及很强的电荷－自旋－轨??道－晶格耦合，从而产生很多新奇的ｄ电子电磁输运现象。压力、温度、缺陷诱??导的晶体结构改变，自旋轨道耦合以及量子限域都可以使轨道进一步劈裂，改变??能带结构，进而调制物性甚至产生新的物性。??（ａ）?（ｂ）??！ｊ＾＃ｈ??ｘｙ?Ｙ７?７．Ｋ??图１．４?（ａ）立方相ＳＴＯ中３ｄ轨道在氧八面体晶体场中的劈裂丨１８］？?（ｂ）密度泛函理论计??算的立方相ＳＴＯ的能带结构丨１９丨。??１．２．３超导电性??虽然ＳＴＯ本身是能带绝缘体，但是通过离子掺杂、引入氧空位或者栅压调??控的方式引入电子载流子后，ＳＴＯ就可以表现出超导电性。ＳＴＯ是在１９６４年??被发现的第一个半导体超导体［２０］，不同于传统超导，它在很低的载流子浓度下??（１０１７?ｃｍ—３）就可以表现出超导电性。这么低的载流子浓度意味着，如果它是费??米液体，那么费米能应该比声子能量要低的多，这种条件下的超导电性是ＢＣＳ＿??Ｍ
本文编号：3525253
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１过渡金属氧化物中电荷、自旋、轨道和?图１．２?ＬＡＯ／ＳＴＯ界面２ＤＥＳ??晶格之间存在很强的耦合丨２】
?第１章绪?论???１．２．１晶体结构和铁弹铁电??图１．３是ＳＴＯ的晶体结构，可以看成是Ｔｉ０２层和ＳｒＯ层堆垛而成，Ｔｉ离子被??氧原子包围Ｔｉ０６八面体。在室温下ＳＴＯ是理想的立方结构，空间群是Ｐｍｉｍ，??晶格常数为３．９０５?Ａ?（图１．３?（ａ））。温度和压力的改变可以使ＳＴＯ偏离立方结构，??最典型的两种扭曲形式是：阳离子和阴离子的反向移动产生的铁电移位（图１．３??（ｂ））以及相邻的丁１０６氧八面体的反向旋转产生的反铁扭曲（图１．３?（ｃ））。??一般来说，每一个ＡＢ０３钙钛矿都有一个Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容差因子ｆ?＝??“：＋：?）［９］，ｒＡ、ｒＢ和分别是Ａ位离子、Ｂ位离子和氧离子的半径。由Ｇｏｌｄ－??ｓｃｈｍｉｄｔ容差因子ｆ可以判断那种扭曲形式更易发生。如果／＞?１?（如ＢａＴｉ０３，??１．０６３），则铁电移位更易发生；如果／＜１?（如ＣａＴｉ０３，?０．９４６），则反铁扭曲旋转??更易发生。而ＳＴＯ的容差因子非常接近于１，所以这两种扭曲形式都有可能发??生。??当温度降至约１０５?Ｋ以下时，ＳＴＯ会发生反铁扭曲旋转相变［１０］，导致立方??相晶体结构沿着旋转轴方向拉伸变成四方相（图１．３?（ｄ））。因为反铁扭曲可以绕??不同的轴向旋转产生不同方向的四方结构，所以ＳＴ０在相变温度１０５?Ｋ以下会??形成不同方向的铁弹畴。ＬＡＯ／ＳＴＯ界面的不均匀输运和铁电性的产生都与这种??铁弹相变有关［１１－１３］。??ＳＴＯ是少有的量子顺电体之一，也就是说，ＳＴＯ＊＃在电偶极子，但是由??于体系中的量子涨落抑制了电偶极子的长程有序，所以即使温度降至绝对零度，??也不会形成长程铁电序。但是在某些
?第１章绪?论???１．２．２电子结构??在立方相ＳＴＯ中，氧八面体会在Ｔｉ原子上产生一个晶体场使原本简并的５??个３ｄ轨道劈裂成更低能量的３个简并的ｆ２ｇ轨道（ｘ＞＞，％，ｘｚ）和更高能量的２??个简并的ｅｇ轨道（ｘ２?—ｙ２，?３ｚ２?－?ｒ２）（如图１．４?（ａ））。劈裂后Ｔｉ３ｃｆ轨道在ＳＴＯ??中形成导带，而价带主要由氧原子的２ｐ轨道所贡献（如图１．４?（ｂ））。价电子能??量损失谱实验表明ＳＴＯ是一个具有３．２５?ｅＶ间接带隙和３．７５?ｅＶ直接带隙的能带??绝缘体。通过离子掺杂或引入氧空位可以使ｆ２ｇ导带被电子占据，这些占据在ｄ??轨道上的电子具有丰富的轨道自由度、强电子关联效应以及很强的电荷－自旋－轨??道－晶格耦合，从而产生很多新奇的ｄ电子电磁输运现象。压力、温度、缺陷诱??导的晶体结构改变，自旋轨道耦合以及量子限域都可以使轨道进一步劈裂，改变??能带结构，进而调制物性甚至产生新的物性。??（ａ）?（ｂ）??！ｊ＾＃ｈ??ｘｙ?Ｙ７?７．Ｋ??图１．４?（ａ）立方相ＳＴＯ中３ｄ轨道在氧八面体晶体场中的劈裂丨１８］？?（ｂ）密度泛函理论计??算的立方相ＳＴＯ的能带结构丨１９丨。??１．２．３超导电性??虽然ＳＴＯ本身是能带绝缘体，但是通过离子掺杂、引入氧空位或者栅压调??控的方式引入电子载流子后，ＳＴＯ就可以表现出超导电性。ＳＴＯ是在１９６４年??被发现的第一个半导体超导体［２０］，不同于传统超导，它在很低的载流子浓度下??（１０１７?ｃｍ—３）就可以表现出超导电性。这么低的载流子浓度意味着，如果它是费??米液体，那么费米能应该比声子能量要低的多，这种条件下的超导电性是ＢＣＳ＿??Ｍ
本文编号：3525253
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