氩离子轰击钛酸锶表面的持续光电流现象研究

摘要

钛酸锶(SrTiO3)是一种钙钛矿结构的绝缘体。SrTiO3早期的研究主要集中在作为超导薄膜基底，掺杂Nd、La等过渡族金属元素获得导电层等。21世纪初，在SrTiO3/LaAlO3(STO/LAO)界面处发现了高迁移率的二维电子气引起了广大科学工作者对SrTiO3的研究兴趣。后面又在界面处发现了超导、磁阻、金属绝缘相变和持续光电导等性质，并且这些性质主要与SrTiO3表面的氧空位有关。随后，在Ar+轰击SrTiO3的表面处也发现了高迁移率的表面导电层，该导电层由于Ar+轰击产生氧空位而导电。该表面导电层展现出磁阻现象、忆阻开关效应和金属绝缘相变等新的物理性能，并在存储器、场效应器件和传感器等反面有着潜在的应用。并且Ar+轰击SrTiO3相比于SrTiO3/LaAlO3异质结的制备来说实验条件简单，更容易大规模的应用。自从发现光电流现象以来，光电流一直都是研究的重要课题。光激发是探索缺陷分布的有效方法。亚禁带(sub-band gap)光激发的光电流反应了禁带内缺陷能级的分布特征。并且可以研究在光电器件中的应用。因此，材料的光电流现象有着重要的研究意义。针对上述背景，本文的研究内容有以下4个方面： 1、研究了Ar+轰击在SrTiO3表面形成表面导电层的工艺方法。对SrTiO3(110)进行Ar+轰击，在SrTiO3的表面引入氧空位形成具有不同性质的导电层。研究了Ar+轰击SrTiO3表面导电层的输运特性和电学性质。SrTiO3表面导电层的电阻随轰击时间的增加而减小，符合散射模型。迁移率具有最大值，不再随着轰击时间的增加而增大，在77K的迁移率为300cm2/v·s；但是载流子浓度会随着轰击时间的增加而增大。对SrTiO3表面导电层进行场效应测试，电阻大小接近半导性样品的可以通过光照的调节具有场效应现象。 2、研究了SrTiO3表面导电层的光电流响应特性。用4个不同波长(638nm、520nm、473nm和405nm)的激光激发SrTiO3表面导电层，Ar+轰击过的样品在不同波长的激光照射下均有明显的光响应，波长越短，光响应越大。两种离子源轰击的光响应结果表明：考夫曼离子源随着掺杂剂量的增加，禁带中的缺陷由大范围的能量分布逐渐向集中于价带附近的小范围分布，而霍尔离子源恰好相反，随着掺杂剂量的增加，样品有集中于价带的小范围内分布逐渐变为大能量范围分布。随着温度的降低，禁带中的缺陷分布逐渐向集中于禁带中间位置移动。 3、研究了SrTiO3表面导电层的光电流与温度的依赖特性。不同掺杂剂量的样品的光响应曲线在温度的变化下有着相反的变化。掺杂剂量较小的的绝缘态样品的持续光电流现象随着温度的减小而增强，这种持续光电流随温度升高而减小的变化可以用大晶格弛豫模型和多声子隧穿解释。掺杂剂量较大的金属态样品的持续光电导现在随着温度的减小而减弱，这种持续光电流随温度升高而增大的变化可以用随机局部势能涨落模型解释。 4、背栅电场可以调控光生载流子的的复合速率，正的栅压不改变光生载流子的复合速率，负的栅压加速光生载流子的复合，光生载流子的浓度越大，负栅压加速的效果越明显，栅压越大，加速效果越显著。这些结果表明，SrTiO3表面导电层持续光电导的衰减与表面势垒也有关系，表面势垒可以阻止电子空穴对的复合，产生持续光电导现象。而栅压可以改变表面势垒的高度，从而改变持续光电导现象。

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第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 SrTiO3的基本性质

1.3 表面改性方法及导电研究

1.4 SrTiO3的光电流现象研究

1.5 本课题的研究意义

2.1 引 言

2.2 SrTiO3表面导电层的制备

2.2.1 光刻技术

2.2.2 Ar+轰击技术

2.2.3 磁控溅射技术

2.3 表面分析

2.4 霍尔效应测试

2.5 电学性质测试

2.5.1 伏安特性曲线测试

2.5.2 场效应测试

2.6 光电流测试

2.6.1 本征光电导与杂质光电导

2.6.2 光电流测试

2.6.3 光电流衰减

2.7 本章小结

第三章 Ar+轰击SrTiO3单晶的表面导电层的电学性质

3.1 引 言

3.2 Ar+轰击SrTiO3单晶的工艺研究

3.3 Ar+轰击SrTiO3单晶的表面导电层

3.4 SrTiO3表面导电层的输运特性

3.5.1 伏安特性曲线

3.5.2 场效应

3.6 本章小结

第四章 Ar+轰击SrTiO3表面导电层的光电流衰减现象

4.1 引 言

4.2 SrTiO3表面导电层的光电流响应特性

4.3 持续光电流衰减的波长依赖性

4.4 持续光电流衰减的温度依赖性与陷阱缺陷的关系

4.5 背栅电场对持续光电流衰减的影响规律

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

致 谢

参 考 文 献

攻读硕士学位期间的研究成果