渠道火花烧蚀法制备LSMO和透明导电氧化物薄膜的研究

摘要

本硕士论文基于渠道火花烧蚀技术(CSA)，开展了两类氧化物薄膜材料的研究：LSMO半金属磁性薄膜材料和透明导电氧化物薄膜材料，论文因此分为两部分。 1．渠道火花烧蚀法制备LSMO半金属薄膜的研究 半金属等高自旋极化率的磁性材料因具有在自旋电子器件中极大的应用前景而受到越来越多的关注。La0．7Sr0．3Mn03(LSM0)在居里温度以下有近100％的自旋极化率，而其居里温度高达350K，具有实际应用的潜能故而更受人们重视。然而由于晶格缺陷等导致的半金属性不稳定和单晶薄膜样品制备的困难是当前LSMO材料研究中存在的两大问题。本文采用新型渠道火花烧蚀技术在(001)LaA103(LA0)单晶基片上生长LSMO薄膜，分析了制备所得薄膜的结构和室温电磁学性能，并研究了基片、氛围气体以及高真空退火处理对薄膜结构和性能的影响，主要的研究结果如下： (1)采用CSA技术在LA0基片上以(00h)取向性生长的LSM0薄膜具有菱面体(Rhombohe出a1)结构，室温下具有一定的铁磁性，矫顽力和剩磁均较小，具有低磁场下的应用潜能。在垂直膜面4800Oe外磁场下薄膜室温磁阻变化为2．25％，与PLD、磁控溅射方法制备的LSMO薄膜性能接近。薄膜表面磁畴结构细小。 (2)LSM0薄膜由于与基片LA0间存在晶格不匹配而受面内方向压应力，发生弛豫后c轴晶格常数拉长而出现两相。随着薄膜厚度增大，远离薄膜与基片界面的一相逐渐恢复到其块体结构。 (3)基片的类型、薄膜制备时的氛围气体种类及其分压大小都对薄膜结构和电磁学性能具有重要的影响。 (4)受基片面内压应力的LSMO薄膜在高真空中退火处理后反而会在其两相的交界处引入更多的结构缺陷，导致薄膜性能的恶化。 2．渠道火花烧蚀法制备透明导电氧化物薄膜的研究 随着透明电子学概念的提出，一些全透明有源光电器件脱颖而出，这一方面要求开发性能优异的p型TCO薄膜材料，另一方面对传统的n型TC0材料也提出了新的要求，如更高的载流子迁移率、与p型TCO材料相合适的界面和接触势垒等。本文采用渠道火花烧蚀技术制备和表征了具有高载流子迁移率的Mo掺杂In203(IMO)薄膜，分析了制备参数对薄膜性能的影响，并从基于密度泛函理论的第一性原理计算出发研究了IMO的电子结构，最后对两种p型TCO材料的制备进行了探索，主要结果如下： (1)采用CSA技术在玻璃基片上制备的IMO薄膜结晶性良好，具有高度(222)择优取向性生长的特点，薄膜表面平整。掺杂M0含量为3wt％的IMO薄膜样品中，载流子迁移率最高可达49．6cm2V-1S-1，电阻率最低达4．8×104Qcm，薄膜表面功函数约为4．6eV，在可见光区薄膜平均透射率大于87％。 (2)CSA制备IMO薄膜过程中，氧气含量和基片温度都对薄膜性能有影响。当基片温度一定时，薄膜电阻率和载流子迁移率随氧气含量增大分别具有凹形和凸形的变化规律，即存在一个合适的氧分压以获得具有较好性能的IMO薄膜。 (3)对IMO和ITO电子结构的第一性原理计算结果表明，掺杂原子使得材料的能带向低能方向移动，即费米能级进入导带，且移动幅度M0>Sn；在相同掺杂原子个数比情况下，M0比Sn能提供更多的电子占有态以组成导带底参与导电，这直接印证了实验中所作的“在相同掺杂含量时Mo的高价态差能够提供更多载流子”的推测。 (4)p型TC0材料SrCu202和CuFe02可以通过固态反应合成。初步制备的薄膜在可见光区域的平均透射率约为30％～40％。薄膜电学和光学性能还有待进一步提高。

目录

文摘

英文文摘

第一部分CSA制备LSMO半金属薄膜的研究第一章LSMO半金属磁性材料的介绍

第一部分CSA制备LSMO半金属薄膜的研究第二章渠道火花烧蚀法

第一部分CSA制备LSMO半金属薄膜的研究第三章实验方法和LSMO薄膜的分析表征技术

第一部分CSA制备LSMO半金属薄膜的研究第四章LSMO薄膜的实验结果与讨论

第一部分CSA制备LSMO半金属薄膜的研究第五章第一部分工作总结

第二部分CSA制备透明导电氧化物薄膜的研究第六章透明导电氧化物薄膜简介

第二部分CSA制备透明导电氧化物薄膜的研究第七章CSA制备In2O3：Mo薄膜及其性能研究

第二部分CSA制备透明导电氧化物薄膜的研究第八章IMO薄膜的第一性原理计算

第二部分CSA制备透明导电氧化物薄膜的研究第九章p型TCO薄膜材料的初步制备

第二部分CSA制备透明导电氧化物薄膜的研究第十章第二部分工作总结

参考文献

附录硕士生在读期间发表的论文和专利

后记

论文独创性声明及论文使用授权声明