過渡金屬氧化物屬于強關聯(lián)電子體系,其材料內部的晶格、電荷、軌道、自旋相互耦合產生了諸多重要的物理現(xiàn)象,如超導、巨磁阻效應、金屬絕緣體轉變、磁有序等。近年來,隨著材料離子調控研究的不斷深入,越來越多材料的物理、化學性質可以通過控制材料中離子的轉移進行調節(jié)。因此,對于過渡金屬氧化物而言,離子也應看作決定材料物理性質的一個自由度。對材料進行離子調控,不僅可以改變材料的物理性質。而且,控制離子轉移的過程在固體氧化物燃料電池、儲氫材料等能源領域具有重要用途。在自然界中,鈷元素的價態(tài)豐富,這也為在鈷氧化物實現(xiàn)離子調控提供了天然的優(yōu)勢條件。因此,鈷氧化物也被認為是研究過渡金屬氧化物離子調控的突破口。本文以鈷氧化物作為范例,分別利用電流效應、退火和離子液體門電壓三種方法對材料進行離子調控。獲得的主要結果包括:1. 利用電流效應和溫度循環(huán)相結合在薄膜中實現(xiàn)了局域的氧缺陷調制,提出了一種全新的應變依賴的氧缺陷調控手段。實驗結果顯示,在連續(xù)的循環(huán)輸運測試下,（011）-La_0.7Sr_0.3Co O₃/Pb(Mg_1/3Nb... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)北京市

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

元素周期表

鈷氧化物薄膜離子調控的相變和物性研究2過渡金屬氧化物的研究背景過渡金屬氧化物屬于強關聯(lián)電子體系，其豐富的電子相源于過渡金屬氧化物中電荷、自旋、軌道、晶格之間復雜的相互作用[13]。因此，過渡金屬氧化物中強關聯(lián)行為的研究一直是凝聚態(tài)物理領域關注的重要問題。除此之外，可以通過外部物理場調控過渡金屬氧化物的磁性、超導、金屬絕緣體轉變，這為研發(fā)先進電子器件提供了有效途徑。強關聯(lián)電子器件的設計原則基于相圖（如圖1-2所示），以銅氧化物超導體的相圖為例。SC和AF分別表示材料的超導相和反鐵磁相，可以通過改變元素的摻雜濃度來控制材料是否為超導相。同時，可利用電嘗磁場等其它變量調控材料的磁性、電性，使其處在不同的狀態(tài)，進而可發(fā)生具備存儲或邏輯運算的基礎信號。只利用傳統(tǒng)的半導體很難實現(xiàn)這些新奇的功能特性。圖1-2n型摻雜和p型摻雜超導體相圖。圖中標注了超導態(tài)(SC)、反鐵磁態(tài)(AF)、贗帶隙(Pseudogap)和正常金屬(“NormalMetal”)的區(qū)域。[14]Figure1-2Phasediagramofn-andp-typesuperconductors,showingsuperconductivity(SC),antiferromagnetic(AF),pseudogap,andnormal-metalregions伴隨著分子束外延技術和脈沖激光沉積技術的興起，過渡金屬氧化物薄膜的生長工藝越來越成熟。當傳統(tǒng)互補型金屬氧化物半導體晶體管的性能已經達到瓶頸的時候，過渡金屬氧化物薄膜及其異質結的發(fā)展隨之而來。傳統(tǒng)半導體晶體管的瓶頸，部分來源于Si的局限性。載流子遷移率的限制和載流子濃度的波動可能會導致短通道效應。當晶體管縮小到更小尺寸時，這種效應會變得更加明顯。過渡金屬氧化物在電子學發(fā)展中的潛力巨大，已經成為國際半導體技術中的新興研究材料。

第1章緒論3過渡金屬氧化物的電子軌道圖1-3ABO3鈣鈦礦結構晶胞示意圖（左）和五個d軌道的示意圖（右）。在立方晶格場下，五重簡并的d軌道會劈裂為兩個軌道eg軌道(22和322)和三個t2g軌道軌道(dxy，dyz和dzx)。[15]Figure1-3SchematicdiagramofperovskitestructuralABO3andfivedorbitals.Inthecubiccrystalfield,thisfivefolddegeneracyisliftedtotwoegorbitals(22and322)andthreet2gorbitals(dxy，dyzanddzx).一個電子的量子力學波函數(shù)可以根據(jù)和原子核相互作用的不同而擁有不同的形狀。以ABO3型鈣鈦礦結構過渡金屬氧化物為例（如圖1-3所示），一個過渡金屬離子周圍有六個O2-離子環(huán)繞，這將會產生晶體常晶體場會使原本簡并的d軌道發(fā)生劈裂，使得電子不能夠自由運動，同時也抑制了軌道角動量。指向O2-離子的波函數(shù)能量高于指向O2-離子之間間隙的波函數(shù)能量，前者所對應的軌道為22和322，統(tǒng)稱為eg軌道，后者對應的軌道為dxy，dyz和dzx，統(tǒng)稱為t2g軌道[15]。d軌道發(fā)生退簡并后，晶格會進一步發(fā)生畸變以達到能量最低，這種晶格畸變叫做Jahn-Teller畸變，Jahn-Teller畸變會導致eg軌道和t2g軌道進一步發(fā)生劈裂（如圖1-4所示）。Jahn-Teller畸變具有多種模式，其中常見的有Q2模式和Q3模式。Q2模式為平面內對角的一對O2-離子靠近B位金屬離子，另外一對O2-離子遠離B位金屬離子，上下頂角的一對O2-離子基本不動，這種畸變會使322軌道的能量高于22軌道的能量。Q3模式為平面內四個O2-離子靠近B位金屬離子，上下頂角的一對O2-離子遠離B位金屬離子，這種畸變會使322軌道的能量低于22軌道的能量[16]。晶體場和Hund定則共同決

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements[J]. Yi Cui,Gehui Zhang,Haobo Li,Hai Lin,Xiyu Zhu,Hai-Hu Wen,Guoqing Wang,Jinzhao Sun,Mingwei Ma,Yuan Li,Dongliang Gong,Tao Xie,Yanhong Gu,Shiliang Lie,Huiqian Luo,Pu Yu,Weiqiang Yu.  Science Bulletin. 2018(01)



本文編號：3581865