激光沉积法制备la

激光沉积法制备la

1基于pn结的沉积氧压依赖的膜异质pn结自研究了基于薄膜的锰氧化物特性，如曼陀林-电磁性特征、顺磁性特征、金属绝缘体转变等。以来，基于这些特征和形成机制，我们研究了混合磺酸的异质结、隧道结和场效应管。这些异质p'n结具有明显的滤波效果和光刻感。例如，mira在电子混合lao.7ceo.3mno3和空穴混合la0.7ca0.3mno3之间添加了srtio3绝缘层，以降低隧道施工的次数。结果表明，三元结构具有连续性特征。对于含有nbnbxo3（nit）的电子表格，la0.9ba0.1mno3的薄膜直接生长，形成异质p'n结。观察到了明显的非对称iv特性曲线，并发现p-n结在二次场对提高p-n结合磁性方面发挥了重要作用。近年来，lu等人在la0.9吨p.1mno3nit异质p.n时观察到，磁盘对i.v特性的调节非常有效。这些特性取决于载流子的浓度的调整。通过控制外部林场、场地和光场，可以有效地调节锰氧化物中载流子的浓度，为构建新型的自旋电子装置提供技术参考。锶掺杂锰氧化物La0.8Sr0.2MnO3(LSMO)是空穴型导电性材料,其电输运性敏感地依赖于温度、外场、晶格应变和氧含量.钙钛矿结构的SrTiO3(STO)是绝缘体,其Ti4+具有d0电子结构,带隙宽为3.2eV,通过电子型掺杂使之从绝缘体变成n型半导体.如SrNbxTi1-xO3是n型半导体,其晶体结构及晶胞参数与类钙钛矿结构锰氧化物(比如,LSMO)相匹配,其半导体特性依赖于Nb掺杂的含量,使得LSMO和STO成为制备新型的锰氧化物基p~n结的理想材料.诚然,钙钛矿氧化物薄膜异质p~n结的载流子浓度受晶格应变、氧含量等调控,因此调节原位氧压可有效改善p~n结的整流伏安特性,进而实现对氧化物基p~n结的电学和磁学性能的调制.本文采用脉冲激光沉积法,在NSTO(100)衬底上制备了沉积氧压依赖的LSMO/NSTO异质p~n结;系统研究氧含量对异质结的整流伏安特性影响,并对异质p~n结的正向扩散电压Vd、击穿电压Vb与氧含量的关系进行分析.作为对比,对LSMO/STO外延薄膜的金属-半导体转变温度(Tp)随氧含量的变化进行讨论.2实验2.1lsmo靶材的表征La0.8Sr0.2MnO3(LSMO)靶材是由固相化学反应法制备的:首先将纯度分别为99.9%的La2O3,SrCO3和MnO2粉末按一定摩尔比充分混合研磨后,在1200℃下预烧结15小时后取出,经研磨和压片(1英寸)最后在1350°C下煅烧20小时,样品随炉冷却至室温后取出.LSMO靶材的XRD测量结果与标准La0.8Sr0.2MnO3谱图相一致,说明制备的LSMO靶材是符合化学计量比的.2.2薄膜的沉积和测量外延的LSMO薄膜及异质p~n结是由脉冲激光沉积法(Pulse-laserdeposition,PLD)在单晶SrTiO3(100)和0.7wt%Nb-SrTiO3(100)衬底上制备的.准分子激光束(KrF,λ=248nm,激光束能量180mJ/pulse,频率5Hz)经聚焦后照射到旋转的LSMO陶瓷靶上,LSMO靶材与衬底的距离为50mm.衬底温度设置为740°C,沉积过程中氧压分别为240、190、140和100mTorr,沉积时间7分钟,沉积后薄膜及异质结在原位退火15分钟后冷却至室温.异质p~n结和LSMO薄膜的结构表征是在双晶X-射线衍射仪(Philips-pw1830,CuKα1,λ=0.15406nm)上进行.XRD2θ~ω线扫描显示,薄膜仅显示(l00,l=1,2,…)衍射峰,表明LSMO薄膜层是沿(100)方向生长在STO(100)和NSTO(100)衬底上.薄膜的表面形貌是由原子力显微镜(AFM)测量,膜厚由扫描电子显微镜(SEM)确定为60nm.LSMO/NSTO异质p~n结的伏安特性是采用两探针法在KEITHLEY(6517A)高阻表上测量,测量前先在异质结表面镀上铂金电极,确保欧姆接触,整个测量过程是在室温下进行.LSMO/STO薄膜的电阻率曲线(ρ~T)是用四探针法在超导量子磁强计(SQUID)上测量,温度范围是400~10K.LSMO/STO薄膜的霍尔效应是在QuantumDesign的PPMS上测量的.3分析与讨论的结果3.1薄膜的沉积氧压与原子力图1显示LSMO层厚为60nm,氧压为240,190,150和100mTorr生长的LSMO/NSTO(100)异质结的XRD2θ-ω线扫描.由图可见,异质p~n结仅有(100)和(200)衍射峰出现,表明LSMO薄膜是沿(100)方向外延生长在NSTO(100)上;窄的摇摆曲线(FWHM~0.1°)表明LSMO薄膜层具有较高的结晶质量.薄膜厚度是由扫描电镜(SEM)确定为60nm.由布拉格公式2dsinθ=kλ,基于LSMO(100)和LSMO(200)衍射峰,可得LSMO薄膜垂直于平面内的晶胞参数dout分别为0.3779nm(240mTorr),0.3786nm(190mTorr),0.3792nm(150mTorr)和0.3795nm(100mTorr),这些参数(dout)值都小于LSMO块材的晶格参数(a=0.388nm),表明薄膜在平面内受双轴张应力.上述讨论可见,当沉积氧压由240mTorr减小至100mTorr时,薄膜在垂直平面内的晶格参数dout逐渐增加,这可解释为氧空位增加导致了LSMO薄膜层中Mn3+离子增加,进而诱导了LSMO薄膜中空穴浓度的降低.为进一步查看沉积氧压对LSMO薄膜层的结构及表面形貌的影响,图2给出了沉积氧压为100mTorr(左上列),190mTorr(右上列)和240mTorr(下列)异质p~n结的LSMO(60nm)薄膜的原子力显微镜(AFM)测量图.由图可见氧压为100mTorr生长的LSMO薄膜层表面平整,晶粒细小且分布均匀,而氧压为190和240mTorr的LSMO薄膜层表面粗糙,晶粒尺寸较大且不均匀,使得薄膜的界面缺陷增大.通常,激光蚀刻后的等离子体在沉积过程中与沉积室的氧原子发生碰撞,使得沉积粒子到达衬底时能量减小,不能自由迁移,从而导致沉积粒子到达衬底表面时积聚而形成尺寸大的晶粒.沉积室的氧压越高,沉积等离子体到达衬底时的能量越小,这就是高氧压(190和240mTorr)生长的LSMO薄膜层的结晶质量低于100mTorr的LSMO薄膜的原因.3.2pn结的开启电压图3显示温度为300K测量的LSMO(60nm)/NSTO异质结的整流伏安(I~V)特性曲线.由图可见,所有p~n结的I~V曲线都展现出明显的不对称性和好的整流特性.特别是沉积氧压为100mTorr的p~n结展现出极好的整流特性;随着氧压的增加,p~n结的整流伏安曲线由陡峭趋于平缓.通常,二极管的整流伏安特性是由整流比(I(+nV)/I(-nV))来标定,整流比越大,则二极管的整流效应越高.基于整流伏安特性曲线,可算出氧压为100,150,190和240mTorr的LSMO/NSTO异质p~n结的整流比分别为17.8,5.3,3.8和1.9.对100mTorr的LSMO/NSTO异质p~n结(整流比为17.8),当正向偏压大于开启电压(Vd)时电流突然快速增加;而对240mTorr的异质p~n结(整流比为1.9),当偏压大于Vd时电流仅是平缓的增加.正向偏压大于Vd时结电流突然的陡峭增加,揭示100mTorr的LSMO/NSTO异质结具有较高的结晶质量;而240mTorr的异质p~n结在Vd处电流缓慢上升,可解释为在p~n结及界面处有较多的晶界或柱界缺陷对载流子的散射所致.值得注意,LSMO/NSTO异质p~n结的开启电压(Vd,I~V曲线斜率最大的切线与横轴交点的电压)和击穿电压(Vb)却随着氧压的增加逐渐增大.由整流I~V曲线斜率最大处的切线与横轴交点的电压,求得沉积氧压为100,150,190和240mTorr的异质p~n结的开启电压Vd(即扩散电压)值分别为0.23,0.38,0.47和1.05V;这个单调增加的Vd值可归因于LSMO/NSTO异质结中p-LSMO层的空穴浓度及带隙宽度的变化.为进一步解释p~n结的开启电压Vd与LSMO层的空穴浓度及带隙的关联,我们对厚度为60nm,沉积氧压为100,150和240mTorr的LSMO/STO(100)薄膜的变温电阻率进行测量,结果如图4所示.图4清晰可见,三个厚度为60nm的LSMO/STO(100)薄膜,在低温区是金属态(dρ/dT>0),在温度高于Tp(Tp是电阻率为最大值的温度,Tp≈Tc)是半导体态(dρ/dT<0).沉积氧压由240mTorr减至150mTorr再至100mTorr,则LSMO薄膜的转变温度Tp减小由340K到320K再至285K,而对应薄膜的电阻率随沉积氧压的减小显著增加;这可解释为氧含量的减小诱导了LSMO薄膜层中氧空位的增加,进而导致Mn4+离子(空穴)的减少和MnO6畸变.由图4中虚线标示,在300K时100mTorr的LSMO薄膜是(顺磁)半导体态,对应300K的电阻率为4.5mΩcm;而氧压为150和240mTorr的LSMO薄膜在300K是(铁磁)金属态,对应温度的电阻率分别为1和0.5mΩcm.上述讨论表明,在室温(300K)时,LSMO薄膜层的导电特征及空穴浓度强烈依赖于沉积氧压(或氧含量).空穴掺杂的锰氧化物,三个Mn3d电子局域在t2g带,剩余的3d电子占据两个eg带(eg↓和eg↑,标示电子自旋方向,且能级eg高于t2g).对空穴掺杂的La0.8Sr0.2MnO3(LSMO),当温度T<Tc(≈Tp)时LSMO是铁磁态,自旋劈裂发生;这将导致t2g带和eg带分裂成子带,子带eg↓和eg↑分别被自旋向下的电子和向上的电子占据;随着铁磁性的增强,更多的电子将占据能量较低的eg↑子带.基于半导体理论,异质p~n结的扩散电压Vd可由下式Vd=(Efn-Efp)/e给出,这里e是电子的电荷,Efn和Efp分别是n型和p型半导体的费米能级.对于LSMO/NSTO异质p~n结,当LSMO发生顺磁至铁磁转变(即温度T<Tc)时,p-LSMO层的费米能级Efp降低,而非铁磁的n-NSTO层的费米能级Efn不变.当温度处于300K(图4中虚线所示)时,100mTorr的LSMO薄膜是半导体态,其费米能级Efp高于150mTorr的LSMO(铁磁态)的Efp,而240mTorr的LSMO层的Efp最低;由扩散电压Vd=(Efn-Efp)/e可知,在300K时,氧压为100mTorr的LSMO/NSTO异质p~n结的扩散电压Vd值最小,随着氧压的增加,异质p~n结的扩散电压Vd逐渐增大,这个逐渐增大的扩散电压与图3给出的单调增加的开启电压Vd是一致的.3.3真空退火过程为进一步研究(空穴)载流子浓度对LSMO/NSTO异质p~n结的整流伏安特性影响,我们测量了LSMO(60nm)/NSTO异质p~n结(氧压为100mTorr)在未退火,真空退火在350℃,退火后搁置在空气中40h和160h后的整流伏安曲线(见图5).由图5可见,不同处理条件下LSMO/NSTO异质p~n结皆展现出极好的整流特性.真空退火并未引起整流伏安曲线形状的改变,仅是导致p~n结的开启电压Vd(或击穿电压Vb)绝对值的减小,表明真空退火未破坏异质结的晶体结构,只是导致了LSMO薄膜层中Mn4+离子(空穴)浓度的降低.由图5可求得异质结的开启电压Vd分别为0.36V(未退火),0.26V(真空退火在350℃),0.28V(搁置在空气40h)和0.31V(搁置在空气160h).这个减小的开启电压Vd可解释为真空退火诱导了Mn4+离子(空穴)减少及MnO6八面体的畸变,导致p-LSMO层的Efp升高,使得异质p~n结的Vd值减小.搁置空气后,逐渐增大的开启电压Vd可解释为空气中的氧原子再次扩撒进LSMO层,导致了Mn4+离子(空穴)浓度的增加和MnO6八面体畸变减小,进而诱导了的p-LSMO层的Efp降低.4sso/nto异质pn的结构设计沉积氧压对LSMO/NSTO异质p~n结的结构及整流伏安特性的调控被仔细研究.结构测量显示,100mTorr制备的LSMO/NSTO