隨著科技的快速發(fā)展,傳統(tǒng)半導體電子器件的性能已經(jīng)逼近理論極限。于是,低維體系的發(fā)展開始引起人們巨大的關注。二維體系,由于具有非常豐富的新奇物性和高度的可調(diào)性,在未來各種新型電子器件的發(fā)展中大有可為。過渡金屬氧化物異質(zhì)結界面系統(tǒng)是一種典型的二維體系。自從Ohtomo和Hwang在2004年發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型氧化物絕緣體LaAlO3（LAO）和SrTio3（STO）界面可以產(chǎn)生一個高遷移率的二維電子系統(tǒng)（2DES）以來,過渡金屬氧化物界面的研究得到了長足的發(fā)展。LAO/STO界面具有極其豐富的新奇物性,包括使界面導電的LAO臨界層厚的存在、非單調(diào)柵壓可調(diào)的自旋軌道耦合（SOC）和超導電性、超導和磁性的共存以及柵壓可調(diào)的鐵彈疇序等。但是由于界面的復雜性,界面很多物性的起源還不清楚,物性之間的關聯(lián)或相互影響也仍然撲朔迷離,更是有很多新的物性有待人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。本工作中,我們利用脈沖激光沉積技術生長了高質(zhì)量的LAO/STO異質(zhì)結,并用它們制備了金屬/LAO/STO隧穿結器件和霍爾器件,對界面2DES中的新奇物性進行了深入地探索。我們的工作主要包括三個方面:第一,我們在鈦/LAO/STO隧穿結中發(fā)現(xiàn)三... 

【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１過渡金屬氧化物中電荷、自旋、軌道和?圖１．２?ＬＡＯ／ＳＴＯ界面２ＤＥＳ??晶格之間存在很強的耦合丨２】

?第１章緒?論???１．２．１晶體結構和鐵彈鐵電??圖１．３是ＳＴＯ的晶體結構，可以看成是Ｔｉ０２層和ＳｒＯ層堆垛而成，Ｔｉ離子被??氧原子包圍Ｔｉ０６八面體。在室溫下ＳＴＯ是理想的立方結構，空間群是Ｐｍｉｍ，??晶格常數(shù)為３．９０５?Ａ?（圖１．３?（ａ））。溫度和壓力的改變可以使ＳＴＯ偏離立方結構，??最典型的兩種扭曲形式是：陽離子和陰離子的反向移動產(chǎn)生的鐵電移位（圖１．３??（ｂ））以及相鄰的�。保埃堆醢嗣骟w的反向旋轉產(chǎn)生的反鐵扭曲（圖１．３?（ｃ））。??一般來說，每一個ＡＢ０３鈣鈦礦都有一個Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容差因子ｆ?＝??“：＋：?）［９］，ｒＡ、ｒＢ和分別是Ａ位離子、Ｂ位離子和氧離子的半徑。由Ｇｏｌｄ－??ｓｃｈｍｉｄｔ容差因子ｆ可以判斷那種扭曲形式更易發(fā)生。如果／＞?１?（如ＢａＴｉ０３，??１．０６３），則鐵電移位更易發(fā)生；如果／＜１?（如ＣａＴｉ０３，?０．９４６），則反鐵扭曲旋轉??更易發(fā)生。而ＳＴＯ的容差因子非常接近于１，所以這兩種扭曲形式都有可能發(fā)??生。??當溫度降至約１０５?Ｋ以下時，ＳＴＯ會發(fā)生反鐵扭曲旋轉相變［１０］，導致立方??相晶體結構沿著旋轉軸方向拉伸變成四方相（圖１．３?（ｄ））。因為反鐵扭曲可以繞??不同的軸向旋轉產(chǎn)生不同方向的四方結構，所以ＳＴ０在相變溫度１０５?Ｋ以下會??形成不同方向的鐵彈疇。ＬＡＯ／ＳＴＯ界面的不均勻輸運和鐵電性的產(chǎn)生都與這種??鐵彈相變有關［１１－１３］。??ＳＴＯ是少有的量子順電體之一，也就是說，ＳＴＯ＊＃在電偶極子，但是由??于體系中的量子漲落抑制了電偶極子的長程有序，所以即使溫度降至絕對零度，??也不會形成長程鐵電序。但是在某些

?第１章緒?論???１．２．２電子結構??在立方相ＳＴＯ中，氧八面體會在Ｔｉ原子上產(chǎn)生一個晶體場使原本簡并的５??個３ｄ軌道劈裂成更低能量的３個簡并的ｆ２ｇ軌道（ｘ＞＞，％，ｘｚ）和更高能量的２??個簡并的ｅｇ軌道（ｘ２?—ｙ２，?３ｚ２?－?ｒ２）（如圖１．４?（ａ））。劈裂后Ｔｉ３ｃｆ軌道在ＳＴＯ??中形成導帶，而價帶主要由氧原子的２ｐ軌道所貢獻（如圖１．４?（ｂ））。價電子能??量損失譜實驗表明ＳＴＯ是一個具有３．２５?ｅＶ間接帶隙和３．７５?ｅＶ直接帶隙的能帶??絕緣體。通過離子摻雜或引入氧空位可以使ｆ２ｇ導帶被電子占據(jù)，這些占據(jù)在ｄ??軌道上的電子具有豐富的軌道自由度、強電子關聯(lián)效應以及很強的電荷－自旋－軌??道－晶格耦合，從而產(chǎn)生很多新奇的ｄ電子電磁輸運現(xiàn)象。壓力、溫度、缺陷誘??導的晶體結構改變，自旋軌道耦合以及量子限域都可以使軌道進一步劈裂，改變??能帶結構，進而調(diào)制物性甚至產(chǎn)生新的物性。??（ａ）?（ｂ）??�。辏蓿＃�??ｘｙ?Ｙ７?７．Ｋ??圖１．４?（ａ）立方相ＳＴＯ中３ｄ軌道在氧八面體晶體場中的劈裂丨１８］？?（ｂ）密度泛函理論計??算的立方相ＳＴＯ的能帶結構丨１９丨。??１．２．３超導電性??雖然ＳＴＯ本身是能帶絕緣體，但是通過離子摻雜、引入氧空位或者柵壓調(diào)??控的方式引入電子載流子后，ＳＴＯ就可以表現(xiàn)出超導電性。ＳＴＯ是在１９６４年??被發(fā)現(xiàn)的第一個半導體超導體［２０］，不同于傳統(tǒng)超導，它在很低的載流子濃度下??（１０１７?ｃｍ—３）就可以表現(xiàn)出超導電性。這么低的載流子濃度意味著，如果它是費??米液體，那么費米能應該比聲子能量要低的多，這種條件下的超導電性是ＢＣＳ＿??Ｍ


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