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氧化锌薄膜及其与钙钛矿氧化物异质结特性研究

【摘要】:ZnO是一种直接宽带隙半导体,在蓝紫外发光器件、光电转换器件、稀磁半导体、气敏传感器、透明导电材料、透明薄膜晶体管等方面都有着广阔的应用前景。纤锌矿结构的ZnO晶体沿着c轴方向具有极性,自发极化对ZnO的光电性能、化学性质等都有重要影响。本文成功制备了ZnO外延膜及其与钙钛矿氧化物的外延异质结,重点研究了极性对ZnO薄膜及其异质结性质的影响。我们的研究对新型多功能ZnO器件的未来应用具有重要的指导意义。 利用脉冲激光沉积的方法,选用不同取向的SrTiO3(STO)单晶衬底,通过控制生长条件,我们能够能同时制备出表面为非极性面的Zn(110)(称为a取向)和表面为极性面的ZnO(001)(称为c取向)两种取向的外延薄膜。尽管两者的生长温度、氧气压强、激光能量等镀膜条件完全一样,但是我们发现a取向ZnO(110)薄膜的电阻率要远远大于c取向ZnO(001)薄膜的电阻率。通过深入分析,我们提出a取向ZnO(110)薄膜由于面内的自发极化在晶粒界面形成势垒,增加了对电子的散射,从而会导致很高的电阻率。实验结果与理论模型符合的非常好,通过计算得到室温下自发极化引起的能带弯曲大小约为0.22eV。 Nb掺杂的SrTiO3(NSTO)衬底具有良好的导电性,我们在NSTO衬底上成功制备了具有良好整流特性的ZnO/NSTO外延异质结。不同极性取向的ZnO异质结的I-V特性差别很明显。ZnO(110)/NSTO(001)异质结的电流要明显大于ZnO(001)/NSTO(110)异质结的电流。我们认为,由于NSTO具有很强的热电效应,c取向的ZnO薄膜在沉积的过程中带正电的Zn离子会优先沉积到基片上面,所以制备的ZnO是以O离子为表面的面。由于ZnO的极性效应,ZnO(001)/NSTO(110)异质结界面处ZnO一侧的能带会向上弯曲,抬高了界面处的势垒高度,从而增加了结电阻。将ZnO与p型材料LSMO、LCMO制备成异质结,也能得到良好的整流特性。在相同的温度和电压下,ZnO/LCMO/NSTO(001)异质结的电阻要小于ZnO/LCMO/NSTO(110)异质结的电阻。 另外,我们还制备了LCMO/NSTO异质结。在ZnO/LCMO/NSTO(001)和LCMO/NSTO异质结中,都观察到了良好的整流特性和显著的负磁阻现象。而且,LCMO/NSTO(110)异质结的磁阻数值要明显大于LCMO/NSTO(001)异质结。

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