基于SrTiO_3氧化物界面的光伏与自旋轨道耦合效应

【摘要】：在过去的十多年里,ABO3型的钙钛矿复杂氧化物得到了广泛的研究,它们在温度,磁场,掺杂等外界条件下出现丰富的性质,具有复杂的相图。随着薄膜生长技术的发展,特别是脉冲激光沉积技术(PLD)的长足发展与反射高能电子衍射仪(RHEED)在PLD上使用,使得高质量外延生长钙钛矿氧化物薄膜成为可能,研究者在这些氧化物界面甚至发现了与块体材料全然不同的性质。所以界面体系一直是氧化物研究的热点。本人博士工作重点关注以SrTiO3为衬底材料的极性/非极性界面的能带结构,探索了可能的应用研究,以及Ti的d电子的多带结构。主要工作包括下面三方面。我们用NH4F-HF在适当的参数下腐蚀处理SrTiO3(001)表面,得到TiO2单一终结面,原子级平整的SrTiO3(001)表面。在这样的表面下,我们用PLD-RHEED系统在合适的条件下实现了LaA103, LaVO3薄膜的层状生长,能很好地控制生长速率与厚度。不仅原位的RHEED衍射斑与振荡能很好地表明样品的高质量,XRD, TEM, CTR的测量也表明薄膜具有很好的晶体结构。高质量的界面样品的制备为我们探索界面的性质与物理提供了很好的条件。在LaA103/SrTi03(5uc-15uc)的表面镀上金属电极,用wire-bonder将铝线欧姆接触到界面,测量界面与表面之间的I-V曲线,发现185nm(6.7eV)的紫外光照射能在表面与界面之间产生光伏效应,256nm (3.4eV)与模拟太阳光却无法激发光伏效应。通过不同功函数电极和控制样品氧空位的对比实验,排除了可能导致光伏的原因,最终我们将这一现象归结于内建场与金属电极功函数的共同作用使得光激发的LaA103的电子-空穴对分离,产生光伏效应。这一发现不仅证明了LaA103/SrTi03界面“极性崩溃”下电子重构的物理图像,同时也是探索原子层厚度的光伏材料的一次尝试。我们用光刻等工艺将LaA103/SrTi03, LaVO3/SrTiO3做成场效应管的器件研究它们在低温磁场下的输运性质。在两种界面的磁阻都表现为栅压可调的反弱局域化的现象(WAL)。WAL的定量分析能给出能带中自旋分裂能等一系列与能带相关的重要信息,是研究自旋轨道耦合(SOC)的重要手段。测量发现即使LaAlO3/SrTiO3, LaVO3/SrTiO3的边界条件不一样,但是栅压对它们的磁阻却有相同的调节作用。我们用ILP理论拟合了WAL,发现界面的SOC表现为k的三次方的Rashba效应。进一步的定量分析得出自旋分裂能随载流子浓度的变化是非单调的,在某一浓度下出现最大值,与传统半导体的单调变化形成鲜明对比。在这一变化过程中,界面的载流子发生由单一到多种的转变,使得霍尔效应出现非线性。WAL与非线性霍尔可用界面SrTiO3一则Ti的3d电子的t2g轨道的自旋分裂与多子带结构解释。在这里,我们从实验上建立了输运性质与电子能带结构的对应关系。 【关键词】：复杂氧化物 LaAlO_3/SrTiO_3 LaVO_3/SrTiO_3 光伏效应 自旋轨道耦合 反弱局域化 非线性霍尔效应
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 过渡金属氧化物界面11-14
• 1.2 过渡金属氧化物界面的电子重构14-17
• 1.3 SrTiO3导电表面的能带结构研究17-22
• 1.4 论文内容22-24
• 参考文献24-26
• 第2章 LaAlO3/SrTiO3,LaVO3/SrTiO3界面的制备与表征26-40
• 2.1 脉冲激光沉积技术(PLD)26-29
• 2.1.1 PLD设备26-27
• 2.1.2 PLD原理27-28
• 2.1.3 PLD优劣势28-29
• 2.2 反射高能电子衍射仪(RHEED)29-32
• 2.2.1 RHEED基本原理30-31
• 2.2.2 RHEED在表面分析中的作用31-32
• 2.3 SrTiO3表面处理32-33
• 2.4 LaAlO3/SrTiO3和LaVO3/SrTiO3界面的PLD生长33-36
• 2.5 界面外延质量的表征36-39
• 参考文献39-40
• 第3章 原胞尺度的LaAlO3薄膜的光伏效应40-59
• 3.1 极性/非极性结构中的电子重构40-43
• 3.2 内建电场的测量43-45
• 3.3 LaAlO3/SrTiO3的光伏效应45-55
• 3.3.1 光伏效应的模型45-47
• 3.3.2 光伏效应的测量47-50
• 3.3.3 其它光伏效应的排除50-53
• 3.3.4 讨论53-55
• 3.4 小结55-57
• 参考文献57-59
• 第4章 基于SrTiO3的界面的弱局域化研究59-93
• 4.1 自旋轨道耦合59-61
• 4.2 自旋弛豫(spin relaxation)61-63
• 4.3 反弱局域化63-66
• 4.4 氧化物界面的自旋轨道耦合66-70
• 4.5 氧化物界面的反弱局域化研究70-89
• 4.5.1 氧化物的场效应管器件71-76
• 4.5.2 反弱局域化的测量76-78
• 4.5.3 载流子浓度的测定78-80
• 4.5.4 WAL的定量分析80-88
• 4.5.5 输运性质与能带的对应88-89
• 4.6 小结89-90
• 参考文献90-93
• 致谢93-94
• 在读期间发表的学术论文94

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