發(fā)布時(shí)間：2017-08-10 05:20

  本文關(guān)鍵詞：鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)電磁輸運(yùn)特性的研究

  更多相關(guān)文章： 氧化物異質(zhì)結(jié) 二維電子氣 電磁輸運(yùn)性質(zhì) 第一性原理計(jì)算

【摘要】：隨著氧化物薄膜沉積技術(shù)及測(cè)量手段的提高,采用脈沖激光沉積(pulsed laserde position)或氧化物分子束外延(oxide molecular beam epitaxy)技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)對(duì)材料終止層和生長(zhǎng)取向的可靠控制。設(shè)計(jì)和制備高質(zhì)量的鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)已成為現(xiàn)實(shí),這對(duì)鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)的研究和應(yīng)用起到了極大的推動(dòng)作用。通過在原子尺度內(nèi)對(duì)鈣鈦礦氧化物界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控,在氧化物異質(zhì)結(jié)上觀察到許多新奇且具有潛在應(yīng)用價(jià)值的物理現(xiàn)象。這是由于鈣鈦礦氧化物中電荷、自旋、軌道、晶格等自由度之間存在相互耦合和競(jìng)爭(zhēng),表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)效應(yīng)。當(dāng)兩種不同的鈣鈦礦氧化物組成異質(zhì)結(jié)時(shí),鈣鈦礦氧化物材料本身的對(duì)稱性在界面處會(huì)遭到破壞,造成對(duì)稱破缺,這種對(duì)稱破缺與界面處觀察到的新奇物理現(xiàn)象存在著密切的聯(lián)系：空間對(duì)稱破缺通常會(huì)導(dǎo)致界面附近材料的極性發(fā)生變化,影響鐵電或壓電性質(zhì)；規(guī)范對(duì)稱性破缺常常會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生；時(shí)間反演對(duì)稱破缺會(huì)導(dǎo)致磁性的產(chǎn)生。正是由于界面結(jié)構(gòu)對(duì)其屬性至關(guān)重要的影響,相比塊體材料,二維界面增加了人們對(duì)微電子器件設(shè)計(jì)的自由度,拓寬了電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范疇,甚至可以引領(lǐng)能源和信息技術(shù)領(lǐng)域新材料的發(fā)展。特別是LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié),受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。自從2004年Ohtomo與合作者在塊狀材料為非磁性的絕緣體LaAlO3與SrTiO3所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的界面處觀察到具有高遷移率的二維電子氣(2DEG)之后,氧化物異質(zhì)結(jié)就成為近年來材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明在LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)界面不但表現(xiàn)出二維導(dǎo)電行為,還具有磁性和低溫超導(dǎo)特性。盡管對(duì)LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,但是在界面2DEG的起源、界面磁性的來源及磁性與超導(dǎo)共存等奇特性質(zhì)的主導(dǎo)機(jī)制等方面尚有分歧。氧化物異質(zhì)結(jié)界面處2DEG的起源一直是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),且仍沒能達(dá)成共識(shí)。界面二維電子氣產(chǎn)生原因大致分為兩類,一是本征原因：界面的極化不連續(xù)導(dǎo)致的固有電子重組被認(rèn)為是界面2DEG形成的主導(dǎo)機(jī)制,極化災(zāi)難理論和電子重構(gòu)理論為此觀點(diǎn)提供了理論依據(jù)。二是缺陷理論：界面結(jié)構(gòu)中存在氧空位；陽離子在界面上相互擴(kuò)散。缺陷理論在很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)條件,如氧氣氛壓強(qiáng),沉積技術(shù)等。LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)界面的磁性起源是目前本領(lǐng)域研究的另一熱點(diǎn)問題。有的研究小組認(rèn)為磁性是異質(zhì)結(jié)的本征性質(zhì),即界面應(yīng)力導(dǎo)致的電子氣在費(fèi)米面附近的自旋劈裂誘導(dǎo)了磁性的產(chǎn)生。另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為,異質(zhì)結(jié)的本征磁性非常小(-0.01μB),實(shí)驗(yàn)上無法觀察到,而界面處Ti02面中的氧空位使得磁性增強(qiáng)到實(shí)驗(yàn)上可以觀察的強(qiáng)度,即認(rèn)為Ti02面的氧空位誘發(fā)了異質(zhì)結(jié)的磁性。因此界面磁性的起源問題尚存在著分歧,仍需要進(jìn)一步研究。近年來,氧化物異質(zhì)結(jié)界面處同時(shí)觀察到低溫超導(dǎo)和鐵磁特性,這對(duì)傳統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)。有研究小組為這兩種特性共同存在從實(shí)驗(yàn)上提供了直接的證據(jù)。有人認(rèn)為距離相關(guān)的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)(Sizable electronic correlation)是造成兩種相互排斥性質(zhì)共存的原因,但目前對(duì)于這一新奇的物理現(xiàn)象仍沒有定量的解釋,且需要進(jìn)一步確定超導(dǎo)和鐵磁性兩種性質(zhì)是共同存在材料的同一區(qū)域還是相分離現(xiàn)象。所以對(duì)鐵磁和超導(dǎo)特性共存的問題仍沒達(dá)到共識(shí),需要繼續(xù)研究。本論文采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理的方法,首先對(duì)不同SrTiO3表面的幾何結(jié)構(gòu)和電磁輸運(yùn)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,在此基礎(chǔ)上,研究了LaAlO3/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和電磁輸運(yùn)特性,BaTiO3/MgO(110)界面的電磁輸運(yùn)特性和二維應(yīng)力對(duì)LaA103/SrTiO3界面晶格結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)特性的影響。通過對(duì)一系列與LaAlO3/SrTi03相關(guān)或近似的界面電磁輸運(yùn)特性的探討,系統(tǒng)研究了界面2DEG的起源、界面磁性的來源,揭示了界面效應(yīng)及其作用機(jī)理,加深了對(duì)異質(zhì)結(jié)界面新奇現(xiàn)象背后物理機(jī)制的理解。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：(1)不同SrTiO3表面的電磁輸運(yùn)特性。SrTiO3(001)表面：首先研究了以TiO2和SrO為終結(jié)層的兩種表面的穩(wěn)定性、幾何結(jié)構(gòu)。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩種表面的表面能非常相近,而以TiO2為終結(jié)層的SrTiO3(001)表面更穩(wěn)定；在兩種表面處都出現(xiàn)不同程度的褶皺；分析兩種表面的薄膜的電子能帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)以TiO2和SrO為終結(jié)層的SrTiO3(001)表面都表現(xiàn)出較好的絕緣性。SrTiO3(111)表面：計(jì)算了以Ti和Sr03為終結(jié)層的兩種表面的穩(wěn)定性和表面處幾何結(jié)構(gòu)的畸變。比較兩種表面的表面能可以得出以Ti為終結(jié)層的SrTiO3(111)表面能略低于以Sr03為終結(jié)層的SrTiO3(111)的表面能。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了以Ti為終結(jié)面的電子結(jié)構(gòu),電子能帶結(jié)構(gòu)表明表面具有二維導(dǎo)電特性,即計(jì)算預(yù)測(cè)出表面存在具有高遷移率的二維電子氣。表面層的Ti t2g (dxy/dxz/dyz)電子軌道部分占據(jù)是磁性2DEG的主要來源,表面處的對(duì)稱破缺所導(dǎo)致的Ti t2g電子Fermi面附近的自旋劈裂是產(chǎn)生表面磁性的內(nèi)在機(jī)制。表面層每個(gè)Ti原子具有約0.55μB的磁矩；最后我們采用DFT+SOC(spin orbital coupling)的方法對(duì)以Ti為終結(jié)層的SrTi03(111)表面的磁各向異性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)磁偶極子存在于垂直于[111]方向的表面內(nèi)。SrTiO3(110)表面：研究了以SrTiO和02為終結(jié)層的兩種表面的穩(wěn)定性、表面結(jié)構(gòu)畸變和電磁輸運(yùn)特性。通過計(jì)算表面能發(fā)現(xiàn)以02為終結(jié)層的SrTiO3(110)表面能略低于以SrTiO為終結(jié)層的SrTiO3(110)表面能。表面層的Ti-O八面體形變明顯,能帶計(jì)算結(jié)果表明兩種表面都具有金屬導(dǎo)電性,且有磁性。通過對(duì)電子結(jié)構(gòu)的分析,發(fā)現(xiàn)以SrTiO為終結(jié)層的SrTiO3(110)表面層中Ti 3d電子局域于表面層,且是表面2DEG的主要來源。在費(fèi)米面附近,Ti 3d電子發(fā)生明顯的自旋劈裂,導(dǎo)致表面層的每個(gè)Ti原子具有約0.42μB的磁矩；以O(shè)2為終結(jié)層的SrTiO3 (110)的表面存在空穴,表面層的O2p軌道是空穴的主要來源；表面層的每個(gè)氧原子的磁矩約為0.32μB,且原子的磁矩隨著與表面距離的增大而漸漸減小。因此,裝面層的O 2p軌道是以02為終結(jié)層的SrTiO3(110)表面層導(dǎo)電性和磁性的主要來源。(2) LaA103/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和電磁輸運(yùn)特性。研究了SrTiO3和LaAlO3(110)表面的穩(wěn)定性和表面結(jié)構(gòu)畸變,在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了LaAlO3/SrTiO3(11O)異質(zhì)結(jié)可能的界面結(jié)構(gòu)：突變型界面和扣狀界面,通過比較其界面能,發(fā)現(xiàn)扣狀界面更穩(wěn)定,這也與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相符。在分析LaAlO3/SrTiO3(110)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)界面處存在電子重構(gòu)的現(xiàn)象,并在界面出現(xiàn)磁性2DEG。界面Ti-O八面體的形變導(dǎo)致Ti原子的3d軌道自旋劈裂,其中能量較低的dxz/dyz電子是界面磁性2DEG的來源,且使界面每個(gè)Ti原子具有0.35 uB的磁矩。(3) BaTiO3/MgO(110)界面的電磁輸運(yùn)特性。BaTiO3/MgO(110)的界面結(jié)構(gòu)存在兩種可能性：n型界面(BaTiO/MgO)和p型界面(O2/MgO)。這兩種界面都具有二維導(dǎo)電性。對(duì)n型界面而言,界面層中Ti的3d電子是界面電磁屬性的來源。另外,界面導(dǎo)電性與BaTiO3的厚度有關(guān),通過調(diào)整BaTiO3層的厚度可以實(shí)現(xiàn)界面絕緣—金屬的轉(zhuǎn)變,BaTiO3的臨界厚度是4層。對(duì)p型界面而言,界面出現(xiàn)空穴�？昭▋�(yōu)先占據(jù)界面MgO層O的2py軌道形成金屬性界面。同時(shí)界面MgO層O的2p電子在費(fèi)米面附近發(fā)生自旋劈裂,導(dǎo)致界面MgO層每個(gè)O原子都具有約0.22μB的磁矩。(4)二維應(yīng)力對(duì)LaAlO3/SrTiO3界面電屬性的影響。通過研究面內(nèi)二維應(yīng)力與離子弛豫的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)面內(nèi)應(yīng)力對(duì)各層Ti-O和La-O離子的相對(duì)位移影響顯著,且具有規(guī)律性：異質(zhì)結(jié)中各層Ti-O相對(duì)位移的絕對(duì)值隨著面內(nèi)晶格常數(shù)的增加而減��；異質(zhì)結(jié)中各層La-O相對(duì)位移的絕對(duì)值隨著面內(nèi)晶格常數(shù)的增加而增加；界面Ti-O八面體的形變隨著面內(nèi)晶格常數(shù)的減小而加劇,即,界面會(huì)隨面內(nèi)壓應(yīng)力的增大而越來越粗糙。對(duì)未施加外部應(yīng)力的LaAlO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié),界面層Ti 3dxy軌道部分被占據(jù),是形成界面2DEG的主要來源。施加外部應(yīng)力后,界面載流子的濃度變小,繼而異質(zhì)結(jié)的界面導(dǎo)電性變?nèi)�。�?dāng)施加面內(nèi)壓應(yīng)力使面內(nèi)壓應(yīng)變達(dá)到4.98%或施加張應(yīng)力使面內(nèi)張應(yīng)變達(dá)到5.29%時(shí),界面出現(xiàn)金屬—絕緣的轉(zhuǎn)變。
【關(guān)鍵詞】：氧化物異質(zhì)結(jié) 二維電子氣 電磁輸運(yùn)性質(zhì) 第一性原理計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O482.5
【目錄】：

• 摘要10-14
• ABSTRACT14-19
• 第一章 緒論19-35
• 1.1 鈣鈦礦氧化物簡(jiǎn)介19-20
• 1.2 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)20-22
• 1.3 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)界面的研究22-32
• 1.3.1 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)界面二維導(dǎo)電特性22-27
• 1.3.2 鈣鐵礦氧化物異質(zhì)結(jié)界面巧性27-31
• 1.3.3 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)界面磁性和超導(dǎo)電性共存31-32
• 1.4 本論文的選題及章節(jié)安排32-35
• 第二章 理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法35-43
• 2.1 第一性原理計(jì)算方法35
• 2.2 絕熱近似35-36
• 2.3 單電子近似36-37
• 2.4 密度泛函理論37-39
• 2.4.1 Hohenberg-Kohn定理37-38
• 2.4.2 Kohn-Sham方程38-39
• 2.5 交換關(guān)聯(lián)泛函39-40
• 2.5.1 局域密度近似(LDA)39-40
• 2.5.2 廣義梯度近似(GGA)40
• 2.5.3 在位庫侖修正(L(S)DA+U)40
• 2.6 贗勢(shì)方法40-41
• 2.7 VASP程序包介紹41-43
• 第三章 不同SrTiO_3表面電磁輸運(yùn)特性的研究43-72
• 3.1 引言43-45
• 3.2 結(jié)構(gòu)模型與計(jì)算方法45-46
• 3.2.1 計(jì)算模型45-46
• 3.2.2 計(jì)算方法46
• 3.3 結(jié)果與討論46-70
• 3.3.1 SrTiO_3(001)表面46-52
• 3.3.2 SrTiO_3(111)表面52-61
• 3.3.3 SrTiO_3(110)表面61-70
• 3.4 小結(jié)70-72
• 第四章 LaAlO_3/SrTiO_3(110)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和電磁輸運(yùn)特性研究72-81
• 4.1 引言72-73
• 4.2 模型和計(jì)算方法73
• 4.2.1 計(jì)算模型73
• 4.2.2 計(jì)算方法73
• 4.3 結(jié)果與討論73-79
• 4.3.1 表面、界面的穩(wěn)定性計(jì)算73-76
• 4.3.2 電子結(jié)構(gòu)76-79
• 4.4 總結(jié)79-81
• 第五章 BaTiO_3/MgO(110)界面的電磁輸運(yùn)特性研究81-90
• 5.1 引言81-82
• 5.2 結(jié)構(gòu)模型與計(jì)算方法82-83
• 5.2.1 計(jì)算模型82
• 5.2.2 計(jì)算方法82-83
• 5.3 結(jié)果與討論83-89
• 5.3.1 n型BaTiO/MgO界面83-87
• 5.3.2 p型O_2/MgO界面87-89
• 5.4 結(jié)論89-90
• 第六章 二維應(yīng)力對(duì)LaAlO_3/SrTiO_3界面電屬性的影響研究90-99
• 6.1 引言90-91
• 6.2 模型和方法91
• 6.2.1 計(jì)算模型91
• 6.2.2 計(jì)算方法91
• 6.3 結(jié)果與討論91-98
• 6.4 小結(jié)98-99
• 第七章 總結(jié)與展望99-102
• 7.1 總結(jié)99-101
• 7.2 展望101-102
• 參考文獻(xiàn)102-117
• 致謝117-119
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文119-121
• 英文論文一121-127
• 英文論文二127-132
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表132

【參考文獻(xiàn)】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 郭猛;寬禁帶半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：649025