钙钛矿氧化物薄膜生长与原位电子结构研究

摘要

本论文分为两个部分：1)探索激光分子束外延(LaserMoleculeBeamEpitaxy)技术的原理与工艺，并制备了原子尺度层状控制的LaFe1-xCrxO3(x=0.1～1.0)系列钙钛矿结构氧化物薄膜。 2)利用原位同步辐射光电子能谱(InsituSynchronizationRadiationPhotoemissionSpectroscopy)对外延生长的薄膜进行电子结构研究。 本论文的主要内容和结论为：第一部分1.1固相反应法制备了LaFe1-xCrxO3氧化物的粉末样品，利用X射线衍射(XRD)和扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)对样品结构进行了表征。发现体系形成了单相固熔体，没有发现杂散相存在，而且随着Cr掺杂量的增加，a、b、c三轴均呈现单调递减的趋势，晶体单胞体积也在相应减小；且Fe-O八面体仅仅发生微小缓慢的收缩，而Fe、Cr半径所引起的畸变，主要是以La的位置变化来完成。最后利用等离子热烧结法(SPS)将粉末样品制成激光分子束外延靶材。 1.2探索了SrTiO3(STO)基片的处理工艺。利用氧气氛下的退火和STO/STO同质外延生长相结合的方法，得到表面原子尺度平滑的STO基片，并利用背反射高能电子衍射仪(RHEED)和原子力显微镜(AFM)进行了表征。 1.3在薄膜生长参数摸索的工作完成以后，利用监测RHEED强度连续振荡控制生长了厚度在10nm左右的LaFe1-xCrxO3系列钙钛矿结构氧化物外延薄膜。 第二部分2.1利用原位光电子能谱技术，全貌的测量了LaCrO3、LaFe0.5Cr0.5O3、LaFeO3外延薄膜的芯能级分布，并没有发现杂质峰的出现；同时判断Fe和Cr在系列掺杂的过程中价态保持在+3价；而氧的1s芯能级有2eV左右的化学位移，是因为价带O2p轨道上电子与Fe、Cr的d轨道电子交换作用，使得其对于芯能级的屏蔽作用发生了变化。 2.2利用共振光电子能谱技术(RPES)对LaFe1-xCrxO3氧化物外延薄膜中Fe、Cr的3d电子结构进行研究，直接观测到了Fe-O-Cr键合的存在，且随着掺杂量的变化，Fe3deg轨道上电子通过O2p向Cr发生转移。 2.3通过对OK边NEXAFS谱与价带谱分析，研究了与O2p轨道耦合的Fe、Cr、La的d轨道在导带上的变化情况，并总结了费米面附近LaFe1-xCrxO3体系能隙(energygap)的存在和变化规律。 2.4分析La4d-4f吸收谱，讨论了4f激发态IP1宽带(giantband)结构形成的原因；提出配位场的变化会对La4f轨道产生影响的假设，并通过理论计算给予支持。 在本工作中，搭建了国内第一个激光分子束外延(LMBE)+原位光电子能谱(InsituPES)的实验平台，并在国际上首次实现了LaFe1-xCrxO3系列钙钛矿结构氧化物薄膜的外延生长和原位电子结构研究。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章钙钛矿结构(ABO3)氧化物薄膜概述

第二章激光分子束外延(Laser Molecular Beam Epitaxy)

第三章原位同步辐射电子结构研究

第四章钙钛矿结构系列氧化物LaFe1-xCrxO3薄膜外延生长与原位电子结构研究

附录

致谢

发表文章情况