钙钛矿锡酸盐外延薄膜及相关异质结制备与物性研究

摘要

透明导电氧化物(TCOs)薄膜由于同时具有很好的电导性和在可见光区很高的透过率，因而被广泛地应用于太阳能电池、平板显示器和发光二极管等各个领域。常见的TCOs薄膜有ITO、掺杂SnO2和ZnO等。所有这些常规的应用，TCOs薄膜一般都是以多晶或者非晶的形态存在，而且也仅限于光、电的性质。然而，随着对新型TCOs材料研究不断深入，尤其是p型TCOs的出现，开辟了TCOs应用的新领域—“透明光电子学”。另一方面，随着全氧化物电子器件的快速发展，新型全钙钛矿异质结的出现及其应用显得尤为重要，这就必然对TCOs材料的晶胞参数、界面和材料的兼容等性质提出更高要求，因而，寻求新型的具有钙钛矿结构TCOs薄膜就变得愈加重要和有意义。
　　 本论文中，我们通过对宽带隙锡酸盐，包括SrSnO3和BaSnO3掺杂，制备了新型的具有钙钛矿结构的透明导电外延薄膜，探索了掺杂含量以及制备条件对外延薄膜结构、电学和光学性质的影响。另外还制备了具有很好整流特性的锡酸盐-锰酸盐异质结，并对整流特性和磁电阻效应进行了分析和讨论。各章的主要内容分别概括如下：
　　 第一章简单介绍了透明导电薄膜的物理性质、研究概况和应用，并对全透明器件和锰氧化物异质结的研究概况进行了回顾。
　　 第二章主要介绍了本实验需要用到的薄膜制备方法、样品表征和测试方法。主要包括脉冲激光沉积镀膜的原理和方法，x射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、x射线光电子能谱工作原理和表征方法，以及磁学性质测量系统(MPMS)和物理性质测量系统(MPMS)的测试原理和方法。
　　 第三章主要研究了Nd原子部分取代A位Sr，以及Sb原子部分取代B位Sn对SrSnO3薄膜结构、电学和光学性质的影响。实验结果表明Sb和Nd掺杂SrSnO3薄膜，具有好的单晶立方钙钛矿结构，晶胞参数约为4.04(A)；呈现高的电导；在300-2500nm的波长范围透光率高达90％以上，其光学带隙宽度约4.53eV。所有结果表明我们通过对SrSnO3掺杂得到了一种全新的钙钛矿结构的透明导电薄膜。
　　 第四章主要讲述了用脉冲激光沉积方法在STO(001)衬底上外延生长的Sb掺杂BaSnO3薄膜，并详细地研究了不同Sb含量对结构、电学和光学性质的影响。低掺杂(3％和7％)薄膜在150K和80K处出现金属-绝缘体转变，归因于薄膜的简并性质。室温最低电阻率2.43 mΩcm出现在7％Sb含量的薄膜中，其载流子浓度和迁移率分别为n=1.65×1021cm-3和μ=1.75 cm2/Vs。由于光吸收增强，随着掺杂量的增加，薄膜的透光率在可见光范围从80％减小到近乎零。随着载流子浓度的增加薄膜带隙出现了展宽，可以用Burstein-Moss效应来解释。所有实验结果表明低掺杂Sb-BaSnO3薄膜是一种具有非常好的电导和透光率的新型钙钛矿结构透明导电氧化物薄膜。
　　 第五章主要介绍两种不同结构的异质结整流和磁电阻特性：①n-LSSO/p-LCMO/NdGaO3(001)p-n结；②p-LCMO/i-SrSnO3/n-LSSO/SrTiO3 p-i-n结。他们在整个测量温度范围310-10K均呈现非常好的整流特性。P-n结利用了LCMO与衬底NGO的角度失配引起LCMO薄膜产生电荷有序相而制备，外加磁场和偏置电压引起p-n中LCMO耗尽层电荷有序相的融化，产生了非常大的负磁电阻(3T时，-93％)。改变结构后的p-i-n结中LCMO薄膜不存在电荷有序相，随着偏置电压的增大MR出现了由负到正的渡越，归因于来自于LSSO的电子在外电场的作用下有选择地被注入到LCMO/SSO界面处LCMO复杂的与自旋相关的有关能带中。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2透明导电薄膜的物理基础

1.2.1 TCO薄膜的电学性质

1.2.2TCO薄膜的光学性质

1.3TCO薄膜的研究概况及应用

1.3.1 n型TCO薄膜

1.3.2 p型TCO薄膜

1.3.3TCO薄膜的应用

1.4透明器件的研究进展

1.4.1透明p-n结

1.4.2透明场效应晶体管(TFET)

1.5钙钛矿结构及其异质结

1.5.1钙钛矿结构

1.5.2铁电异质结

1.5.3锰基异质p-n结

1.6本章小结

参考文献

第二章样品的制备、表征和测试

2.1薄膜的制备

2.1.1脉冲激光沉积(PLD)介绍

2.1.2脉冲激光沉积特点

2.2薄膜的表征

2.2.1 X射线衍射(XRD)

2.2.2扫描电子显微镜(SEM)

2.2.3原子力显微镜(AFM)

2.2.4 X射线光电子能谱(XPS)

2.3薄膜的测试

2.3.1磁性测量系统(MPMS)

2.3.2物理性质测量系统(PPMS)

2.4本章小结

参考文献

第三章 钙钛矿结构Sb和Nd掺杂SrSnO3薄膜电学和光学性质研究

3.1 引言

3.2样品的制备和实验测量

3.2.1靶材的制备

3.2.2掺杂SrSnO3透明导电外延薄膜的制备和实验测量

3.3结果与讨论

3.3.1 SSSO和NSSO外延薄膜的结构表征

3.3.2掺杂锡酸锶外延薄膜的电学性质

3.3.3掺杂锡酸锶外延薄膜的光学性质

3.3.4生长温度对掺杂锡酸锶外延薄膜的性质影响

3.4本章小结

参考文献

第四章Sb掺杂BaSn03外延薄膜的电学和光学性质研究

4.1 引言

4.2样品的制备和实验测量

4.2.1靶材的制备

4.2.2掺杂BaSnO3透明导电外延薄膜的制备和实验测量

4.3结果与讨论

4.3.1 BSSO外延薄膜的结构表征

4.3.2 BSSO外延薄膜的电学性质

4.3.3 BSSO外延薄膜的光学性质

4.3.4生长温度对BSSO外延薄膜的性质影响

4.4本章小结

参考文献

第五章锰酸盐-锡酸盐异质结的整流特性和磁电阻效应

5.1 引言

5.2样品制备和测试表征

5.3结果与讨论

5.3.1结构为n-LSSO／p-LCMO／NdGa03(001)0的p-n结的整流和磁电阻特性

5.3.2结构为p-LCMO／i-SSO／n-LSSO／STO(001)p-i-n结整流和磁电阻特性

5.4本章小结

参考文献

攻读博士学位期间的学术成果与获奖情况

致谢