鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)的理論研究

1、目 錄目 錄摘 要IABSTRACTIII第一章緒 論11.1 研究意義11.2 鈣鈦礦氧化物中的光誘導(dǎo)效應(yīng)51.2.1 光致金屬-絕緣體相變51.2.2 光致的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)71.2.3 光生載流子注入效應(yīng)71.2.4 光生伏特效應(yīng)91.3 本論文的主要研究內(nèi)容意義11本章參考文獻12第二章 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)正向光電效應(yīng)172.1 引言172.2 物理模型與方法182.3 LSMO/SNTO異質(zhì)結(jié)制備與光伏效應(yīng)測量介紹212.4 LSMO/SNTO異質(zhì)結(jié)的正向光伏信號隨時間演化過程以及相應(yīng)的理論計算結(jié)果212.5 LSMO/SNTO異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)中的光摻雜效應(yīng)以及其動態(tài)物理過程232.6

2、影響LSMO/SNTO異質(zhì)結(jié)光電響應(yīng)的幾個因素272.7 小結(jié)31本章參考文獻32第三章 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)的側(cè)向光電效應(yīng)353.1 緒論353.2 描述穩(wěn)態(tài)側(cè)向光電效應(yīng)的Lucovsky模型簡介以及對其局限性的討論363.3 描述側(cè)向光電效應(yīng)的二維含時漂移-擴散模型413.4 含時二維漂移-擴散模型的求解困難以及解決方案423.5 正常的側(cè)向光電效應(yīng)和在鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)的反常側(cè)向光電效應(yīng)443.6 Dember效應(yīng)463.7 鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)中反常側(cè)向光電效應(yīng)的理論解釋和相應(yīng)的數(shù)值計算結(jié)果473.8 小結(jié)52本章參考文獻53總結(jié)和展望55攻讀博士學(xué)位期間完成的學(xué)術(shù)論文目錄57A第一

3、作者學(xué)術(shù)論文57B非第一作者學(xué)術(shù)論文57C會議58致 謝59i摘 要鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)的理論研究摘 要在本論文中，我們以漂移-擴散模型為基礎(chǔ)發(fā)展出了一套描述鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)的物理模型，然后對此模型進行了自洽計算，通過計算對鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)中出現(xiàn)的物理問題進行了分析和解釋。本文的主要工作和取得的結(jié)論如下：1 在漂移-擴散模型和界面Richardson熱電子發(fā)射模型的基礎(chǔ)上建立起了描述鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)的動態(tài)物理過程的物理模型。并對此模型進行了自洽計算。理論計算所得到的結(jié)果同我們試驗結(jié)果有著很好的符合，這說明我們建立的物理模型是適于描述鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)光電效應(yīng)

4、的。2 在Sr-doped LaMnO3/Nb-doped SrTiO3異質(zhì)結(jié)的正向光電效應(yīng)的理論計算中，我們特別分析其中載流子濃度分布隨時間的演化過程，發(fā)現(xiàn)在光電效應(yīng)的過程中載流子濃度的變化主要是集中在異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)附近，而在空間電荷區(qū)外，載流子濃度相對變化非常小，這說明在鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)中光摻雜效應(yīng)主要是集中在空間電荷區(qū)內(nèi)，進而說明光對鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)材料的性質(zhì)的調(diào)控也是主要集中在其中的空間電荷區(qū)內(nèi)的。3 通過理論計算，我們發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)的測量電路中并聯(lián)的電阻越小光電響應(yīng)的速度就會越快，但是響應(yīng)的靈敏度同時又會降低。我們還分析光子能量對光電相應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)光子能量越高，所導(dǎo)致的光電響

5、應(yīng)速度越快而且靈敏度越高。4 分析了傳統(tǒng)描述側(cè)向光電效應(yīng)的Lucovsky模型的缺陷，解釋了為什么這套模型不能描述脈沖強激光條件下產(chǎn)生的側(cè)向光電效應(yīng)。進而我們又以二維含時漂移-擴散模型為基礎(chǔ)，建立起了一套描述鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)側(cè)向光電效應(yīng)的動態(tài)物理模型，這套模型不但可以描述傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)側(cè)向光電效應(yīng)同時也能描述動態(tài)側(cè)向光電效應(yīng)。5 使用二維含時漂移-擴散模型，分析了在La0.9Sr0.1MnO3/Sr0.99Nb0.01TiO3，La0.7Sr0.3MnO3/Si異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)的一種反常側(cè)向光電效應(yīng)。并從計算上證實這種反常效應(yīng)是由強脈沖激光所造成的強的Dember效應(yīng)產(chǎn)生的。同時我從計算上得到側(cè)向光

6、電效應(yīng)隨著激光強度增強從正常的側(cè)向光電效應(yīng)向反常側(cè)向光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變的過程的，進一步證明了我們對鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)反常側(cè)向光電效應(yīng)的解釋。關(guān)鍵詞： 鈣鈦礦氧化物，異質(zhì)結(jié)，光電效應(yīng)Theoretical studies on the photoelectric properties of perovskite oxide heterojunctionsABSTRACTIn this work, based on the drift-diffusion model, a theoretical model is developed for describing photoelectric effect

7、 in perovskite oxide heterojunctions. We solved the equations in this model with the self-consistent calculation. By the calculated results, some phenomena of photoelectric effect in this system are analyzed and explained. The obtained results are listed as follows:1. We develop a theoretical model

8、to describe the dynamic photoelectric effect in the pervoskite oxide heterojunction by drift-diffusion model and the Richardson thermal emission current on the interface and apply self-consistent calculation on these formulas. The obtained theoretical results agree well with the experimental results

9、, which indicate the validness of this model applying on the perovskite oxide heterojunction.2. The evolution of carriers concentration in Sr-doped LaMnO3/Nb-doped SrTiO3 heterojunction is analyzed by this model, and it is found that the carriers variation mainly locates in the space-charge region o

10、f heterojunction and there is no pronounced variation in the other region. In other word, the photodoping effect in photoelectric process of perovskite oxide heterojunction is located in the space-charge region, or for a perovskite oxide heterojunction, the modulation of material properties by light

11、 is feasible merely in the space-charge region.3. By theoretical calculation, it is found that, for a perovskite oxide heterojunction, the less is the parallel resistance in the circuit for photovoltage measurement, the faster is the photovoltaic response and the lower is the sensitivity of photovol

12、taic response. The more powerful energy of photon is irradiated on the heterojunction, the faster and higher is the photovoltaic response. 4. We analyze the limitation in the classical theoretical model (Lucovsky model) for the lateral photovoltaic effect in pn junction and give an explanation why t

13、his classic model cannot describe the lateral photovoltaic effect with a pulse laser. Furthermore, based on the 2-dimensional time-dependent drift-diffusion model, we develop a general lateral photovoltaic model, which can describe not only the stable lateral photovoltaic effect but also the dynamic

14、 photovoltaic effect with pulse laser.5. By applying this model, we analyze the novel lateral photovoltaic effect，which is experimentally found in the La0.9Sr0.1MnO3/Sr0.99Nb0.01TiO3，La0.7Sr0.3MnO3/Si heterojunctions. We theoretically prove the explanation that this novel lateral photovoltaic effect

15、 is induced by the enhancement of Dember effect in the heterojunction with a strong pulse laser. At same time, it is obtained that the process of the lateral photovoltaic effect evolving from the normal one to the novel one, which give a further confirmation for the explanation that the novel latera

16、l photovoltaic effect is induced by the strong irradiation. Keywords：Perovskite Oxide, Heterojunction, Photoelectric effect III第一章 緒 論第一章 緒 論1.1研究意義圖1.1，氧化物材料的特異性質(zhì)和若干應(yīng)用領(lǐng)域硅半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)以及隨后半導(dǎo)體電子學(xué)的飛速發(fā)展，極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活，使整個世界的面貌煥然一新，它的出現(xiàn)是以信息產(chǎn)業(yè)為標志的第三次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體器件和技術(shù)已被非常廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，滿足著人們的各種需要。隨著人類社會的發(fā)展和進

17、步，特別是現(xiàn)在已經(jīng)進入信息化時代，光電通信、信息高速公路、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)等高科技產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，同時也對半導(dǎo)體材料和器件，這一現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，提出了越來越多新的要求。比如往往需要將具有電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等完全不同物理性質(zhì)的材料復(fù)合、集成在一起，從而開發(fā)出具有多功能性能的新型器件。但以鍺、硅等為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，由于物理性質(zhì)較為單一，無法滿足這種要求。如圖1.1 所示，氧化物材料比鍺、硅具有更為豐富的物理性質(zhì)，從而有望滿足并促進新一代微電子技術(shù)的要求與發(fā)展。一門新興的學(xué)科 “氧化物電子學(xué)”正在迅速崛起1-7。現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，除了要求多種物性的交叉與組合外，還需要電子器件更

18、加微型化和集成化。這就使得薄膜材料逐漸成為現(xiàn)在研究的熱點。也正是由于薄膜材料和薄膜技術(shù)的發(fā)展，才極大地促進了微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、航空航天技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展，也為能源、機械、交通等工業(yè)部門和現(xiàn)代軍事國防部門提供了一大批高技術(shù)新材料和器件。除了在微電子、光電子器件中的具體應(yīng)用以外，薄膜材料的制備還為基礎(chǔ)科學(xué)提供了更為豐富的研究對象和研究渠道。比如，由于尺寸效應(yīng)的影響，薄膜材料往往具有不同于其體材料的性質(zhì)。若將不同種類的薄膜耦合在一起，形成異質(zhì)結(jié)，超晶格等復(fù)合結(jié)構(gòu)，又有可能出現(xiàn)以前未曾認識的嶄新的物理效應(yīng)8-17。這就為發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)、探索新型器件、豐富人類

19、對于自然界的認識，提供了新的途徑。因此氧化物薄膜材料的研究在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用研究兩個方面都具有非常重要的意義，也正是因為如此，目前氧化物材料受到了越來越多的重視。圖1.2，鈣鈦礦氧化物材料的晶體結(jié)構(gòu)在各種氧化物體系中，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（Perovskite）氧化物占據(jù)著非常特殊的地位。鈣鈦礦氧化物最早進入人們的視野中是在1945年，這一年Von Hippel在BaTiO3發(fā)現(xiàn)了鐵電性18,19。此后，鈣鈦礦氧化物越來越多地受到了人們的關(guān)注，特別是在鈣鈦礦氧化物體系中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)特性，更是地掀起了人們對這個體系的研究的熱潮20-22。近十幾年來，越來越多的更為新奇的性質(zhì)在鈣鈦礦氧化物結(jié)構(gòu)中逐漸被發(fā)

20、現(xiàn)，比如新型的鐵電性，高k介電性等，而其中的非常值得注意的是巨磁電阻、電荷有序、軌道有序、自旋玻璃態(tài)及相分離等許多有趣的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使得鈣鈦礦氧化物材料的研究進入到了一個全新的階段23-33。鈣鈦礦氧化物的理想配比的化學(xué)式可以表示為ABO334，其中A和B為陽離子，O為氧離子。氧離子的化合價總和為+6，AB的價態(tài)相應(yīng)地分為A2+B4+，A1+B5+和A3+B3+，其基本晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)型是如圖1.2所示的一個具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶胞。如果以A離子作為立方晶胞的頂點，則B離子和O離子分別處于體心和面心的位置。此外，這些氧離子將會形成以B離子為體心的氧八面體。整個晶體也可以看成是由氧八面體共頂點連接而成，

21、各個氧八面體之間的空隙則由A離子占據(jù)35。A位和B位離子的配位數(shù)分別是12和6，此外ABO3型的結(jié)構(gòu)晶體還可以看成是由AO和BO層交迭構(gòu)成的，如圖2.1a。需要指出的是，不是具有ABO3化學(xué)式的所有材料都屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，這與A、B離子半徑具有很大的關(guān)系。這里引入容限因子t35（Tolerance factor）的概念，定義為：(1.1)其中rA，rB和rO分別代表A離子，B離子和氧離子的半徑。Goldschmidt36發(fā)現(xiàn)0.8t1時，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，后來大量的實驗證明，當0.77t1.1 的時候為方解石結(jié)構(gòu)。在鈣鈦礦氧化物中，處于B位的過渡金屬離子外層的d電子一般表現(xiàn)出奇特的物理性質(zhì)。

22、由于過渡金屬中d電子能帶較窄，d電子軌道與周圍氧八面體中氧離子的p電子軌道的交迭較小，由此產(chǎn)生出電子間很強的關(guān)聯(lián)作用。此外，在很多的鈣鈦礦氧化物材料中，氧八面體中B位離子外層的d電子和氧八面體之間的相互作用會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。這些使得鈣鈦礦氧化物表現(xiàn)出電荷、自旋、軌道以及晶格等之間很強的相互關(guān)聯(lián)作用。而這些物理量之間的相互關(guān)聯(lián)作用正是鈣鈦礦氧化物材料中奇特物理性質(zhì)的來源37-39。由于電荷、自旋、軌道以及晶格等之間的強關(guān)聯(lián)作用，未摻雜的鈣鈦礦氧化物多數(shù)屬于具有強關(guān)聯(lián)特性的絕緣體。但是，如果在其中摻入施主、受主雜質(zhì)或者引入氧空位后將使得鈣鈦礦氧化物材料的導(dǎo)電性質(zhì)發(fā)生很大的改變。這時，原本絕緣

23、的鈣鈦礦氧化物材料將會表現(xiàn)出電子（n型）或空穴(p型)半導(dǎo)體導(dǎo)電特性40。 同時鈣鈦礦型氧化物又具有鐵電、超導(dǎo)、介電、龐磁電阻、熱釋電、壓電、聲光、以及非線性光學(xué)等十分豐富的物理性質(zhì)40-52。而且，大部分鈣鈦礦氧化物在結(jié)構(gòu)上都具有很好的相容性，因此它們之間完全有可能以不同組合形式形成各種新型結(jié)構(gòu)和器件，并在發(fā)現(xiàn)新物理效應(yīng)的基礎(chǔ)研究和新型器件探索中發(fā)揮巨大的作用。如果把這些同一特性或者不同特性的鈣鈦礦氧化物材料交叉耦合在一起，很可能出現(xiàn)一些新奇的效應(yīng)、現(xiàn)象和特性。把具有磁、鐵電、超導(dǎo)等同一特性或不同特性的n 型和p 型鈣鈦礦氧化物疊層外延、交叉耦合在一起，理論和試驗相結(jié)合，研究其pn 異質(zhì)結(jié)的

24、微觀結(jié)構(gòu)和物理特性，從而探索新的功能材料和器件。隨著激光分子束外延 (Laser molecular beam epitaxy, Laser-MBE) 技術(shù)的發(fā)展與完善，制備出具有原子尺度級光滑表面和界面的鈣鈦礦氧化物薄膜已經(jīng)成為可能53,54。近年來，具有良好整流特性的鈣鈦礦氧化物硅異質(zhì)結(jié)如STO3 /Si, LaSrMnO3/Si，全氧化物異質(zhì)結(jié)如p-La0.85Sr0.15MnO3 /Ni-SrTiO3 /n- La0.05Sr0.95 TiO3 異質(zhì)結(jié)，La0.7Sr0.3MnO3/Nb-SrTiO3 Schottky結(jié)，以及氧化物場效應(yīng)管和鈣鈦礦氧化物超晶格等55-61已經(jīng)被國內(nèi)外多

25、個實驗小組成功制備。但目前作為電子學(xué)基礎(chǔ)元件的高溫超導(dǎo)結(jié)和巨磁阻等鈣鈦礦氧化物pn 結(jié)基本上還處于探索階段, 特別是理論方面的工作還未很好地開展起來。為了加深理解鈣鈦礦型氧化物的物理機制，并期望真正實現(xiàn)這類材料的實際應(yīng)用，近年來國內(nèi)外學(xué)者進行了大量相關(guān)的物理性質(zhì)研究，其中光誘導(dǎo)效應(yīng)的研究也引起了人們的關(guān)注。其中特別值得注意的是光激發(fā)是一種在改變材料性質(zhì)方面頗具吸引力的手段，它不需要繁雜地改變材料的化學(xué)組分和晶體結(jié)構(gòu)就可以改變材料的載流子濃度，被稱作“光摻雜”（Photodoping）方法。這使得通過光誘導(dǎo)的方式控制鈣鈦礦氧化物的材料特性成為一種可能，同時鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)又將不同的鈣鈦礦氧化物

26、異質(zhì)結(jié)的特性耦合在一起產(chǎn)生新的特性，光的作用又同這些新的復(fù)合特性耦合在一起，因此可以期望光誘導(dǎo)的方法也會在鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)中激發(fā)出更為奇特的現(xiàn)象，進而得到光誘導(dǎo)下的新型光電、光磁電等多功能器件。因此開展鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物異質(zhì)結(jié)光誘導(dǎo)效應(yīng)研究不僅對理解電子強關(guān)聯(lián)體系中的凝聚態(tài)物理基本問題具有重要意義，還有可能發(fā)現(xiàn)在技術(shù)上有重要應(yīng)用價值的新型物理效應(yīng)。1.2鈣鈦礦氧化物中的光誘導(dǎo)效應(yīng)鈣鈦礦氧化物材料是一種電子關(guān)聯(lián)體系，它們的電荷、自旋、軌道、晶格等自由度之間相互耦合，競爭的關(guān)系很容易受到外場的破壞。光輻射作為一種外場，相應(yīng)地也會產(chǎn)生對鈣鈦礦氧化物體系的有序態(tài)的改變。研究光照對鈣鈦礦氧化物特性的影響

27、，可以加深我們對這種材料內(nèi)在電子關(guān)聯(lián)特性的理解，同時這部分工作也會對人們研究鈣鈦礦氧化物材料的多功能特性大有幫助，下面將簡單介紹一下目前光對鈣鈦礦氧化物光誘導(dǎo)效應(yīng)的一些研究結(jié)果和發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。圖1.3，Pr0.7Ca0.3MnO3中的光導(dǎo)致的絕緣體-金屬相變過程。1.2.1 光致金屬-絕緣體相變鈣鈦礦氧化物R1-xAxMnO3（R為過渡稀土元素，A為二家堿土元素）是一種典型的鈣鈦礦氧化物構(gòu)型。在這種鈣鈦礦氧化物中具有強的電荷、自旋、軌道耦合。其中化學(xué)式中的x控制著體系的摻雜狀態(tài)，通過雙交換機制，x的增大同時也在增強了R1-xAxMnO3中的電荷退局域化，也就是調(diào)制了Mn位上的局域電子密度。如果

28、R= Pr，A= Ca這種調(diào)制在x = 0.5的時候這種電荷有序態(tài)是穩(wěn)定的，當再減小x，大概在x = 0.3的時候，這個體系的電荷有序態(tài)就不再穩(wěn)定，極其容易被外場破壞，產(chǎn)生從電荷有序絕緣相（COI）轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁金屬相的轉(zhuǎn)變（FM）。當這種外場為磁場的地時候后，這種轉(zhuǎn)變便產(chǎn)生龐磁電阻（CMR）效應(yīng)62。相應(yīng)地使用光場也可以導(dǎo)致這種相變。1997年日本的K. Tokura小組便在Pr0.7Ca0.3MnO3中發(fā)現(xiàn)了這種光導(dǎo)致的絕緣體-金屬相變63。他們通過脈沖激光激發(fā)下體系的光電導(dǎo)的轉(zhuǎn)變研究Pr0.7Ca0.3MnO3中的絕緣體-金屬相變。用一個脈寬為5ns，光子能量為0.6-3.5 eV的激光照射

29、到 Pr0.7Ca0.3MnO3上，他們發(fā)現(xiàn)隨著光強的提高，測量到的電壓下降曲線邊開始迅速增長，曲線尾上翹開始變得越來越明顯（圖 1.3），這個過程完全是非線性的在沒有光照前樣品的電阻約為 1 G，光照后體系電阻變?yōu)? （圖1.3c2），樣品在激光強度增強到一定程度后的確開始出現(xiàn)絕緣體-金屬相變。圖1.4，Pr0.7Ca0.3MnO3的光電導(dǎo)同光子能量的關(guān)系同時他們還觀察到了激光光子能量對Pr0.7Ca0.3MnO3絕緣體-金屬相變的影響（如圖1.4）。發(fā)現(xiàn)光子能量才是產(chǎn)生Pr0.7Ca0.3MnO3絕緣體-金屬相變的關(guān)鍵因素而不是光強。1.2.2光致的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)圖1.4 Pr0.7Ca0

30、.3MnO3中的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)（PPC），也就是光導(dǎo)致的光電導(dǎo)效應(yīng)在光照結(jié)束后仍保持一段時間的存在的一種效應(yīng)，這種效應(yīng)已經(jīng)在很多傳統(tǒng)半導(dǎo)體中被發(fā)現(xiàn)。PPC效應(yīng)常常是與電子空穴被光分離后被某種宏觀或者微觀機制壓制住而不能有效復(fù)合而產(chǎn)生的。1997年V. Klryukhln64 在Nature雜志上報道了在小于40K的低溫下，由X射線導(dǎo)致Pr0.7Ca0.3MnO3的PPC效應(yīng)。在圖 1.5中可以看出，在X射線的照射后Pr0.7Ca0.3MnO3 的電阻的確下降了，但是當光照結(jié)束之后，體系的并不回到初始的狀態(tài)而是繼續(xù)保持著低的電阻狀態(tài)，這種狀態(tài)甚至保持數(shù)個小時不變。此后在La0.7C

31、a0.3-xBaxMnO365 和Pr2/3Sr1/3MnO366等鈣鈦礦氧化物體系中也發(fā)現(xiàn)了PPC效應(yīng)。一般認為PPC效應(yīng)是由體系中的氧空位所造成的，但這并沒有確切的證實，其內(nèi)在物理機制還非常不清楚。1.2.3光生載流子注入效應(yīng) 通常改變材料中載流子濃度的方法是通過化學(xué)摻雜，即通過化學(xué)元素替代，來改變載流子的數(shù)目。但采用化學(xué)摻雜的材料其摻雜在制備以后，其摻雜濃度便圖1.5，光照前后(a)La0.8Sr0.2MnO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)和 (b)SrTiO3基底中的R-T曲線。是固定的，無法靈活地調(diào)控。而采用光生載流子注入的方法，卻沒有這樣的缺點。而且采用光生載流注入的方法，非常干凈，因為化學(xué)

32、引入新的摻雜元素，同時也在材料中帶入的干擾的因素67-74。圖1.7， a)500Oe磁場下LSMO薄膜的磁化強度曲；線b) 不同光波長對LSMO薄膜的磁化的影響。日本的H. Katsu小組報道了在La0.8Sr0.2MnO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)中，光生載流自注入對La0.8Sr0.2MnO3薄膜的電性質(zhì)和磁性質(zhì)的影響67，他們發(fā)現(xiàn)在波長小于400nm的光照下，從SrTiO3中發(fā)的光生載流子被注入到La0.8Sr0.2MnO3后，La0.8Sr0.2MnO3薄膜的電阻被增大，金屬-絕緣體相變的地轉(zhuǎn)變溫度Tc 也被降低了近10K，并且由于光照的作用，在100K附近出現(xiàn)了一個新的光誘導(dǎo)的金屬-半導(dǎo)

33、體相變，如圖1.5所示。圖1.6 顯示得是光照前后的I-V曲線和能帶圖解釋了這些現(xiàn)象：400nm波長的光子能量對應(yīng)著SrTiO3的能隙3.2eV，光照后SrTiO3襯底內(nèi)產(chǎn)生光生電子通過結(jié)區(qū)被注入到La0.8Sr0.2MnO3薄膜層中，中和了其中的空穴，使得La0.8Sr0.2MnO3中的雙交換機制被減弱，導(dǎo)致了電阻率的上升和Tc的下降。在雙交換鐵磁體系中，自旋和電荷緊密地聯(lián)系在一起，隨著空穴濃度的減小，磁性也在減弱，圖1.7即是實驗中觀測到的La0.8Sr0.2MnO3薄膜磁化強度圖1.6， a) 異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)圖；b)溫度為30K的時候光照前后的I-V曲線；c)界面附近的能帶示意圖。在光照前

34、后的變化1.2.4光生伏特效應(yīng)圖1.8，La0.7Sr0.3MnO3/Si 異質(zhì)結(jié)的整流特性（左圖），和超快光伏脈沖（右圖）。當用適當?shù)牟ㄩL的光照射非均勻半導(dǎo)體比如pn結(jié)，光會在半導(dǎo)體中激發(fā)出電子空穴對，這些電子空穴對擴散進入到空間電荷區(qū)內(nèi)的，會被內(nèi)建電場分離，電子會進入N區(qū)，空穴會進入P區(qū)。形成電荷的重新分布，這樣P區(qū)和N區(qū)之間的費米電勢差就會形成，在電極開路的情形下就會有電壓輸入75，在電路閉路的情形下就會有電流輸出。這種效應(yīng)稱為光生伏特效益。鈣鈦礦氧化物在經(jīng)過摻雜以后也可能會形成具有p型或者n型半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，通過一定的制備方法也可以生長出pn結(jié)。在鈣鈦礦氧化物pn結(jié)中，國內(nèi)外很多研究

35、小組都報道了它的光生伏特效應(yīng)。比如在La0.29Pr0.38Ca0.33MnO3/SrNb0.005TiO3，CaMnO3/SrNb0.005TiO3 和 La0.7Ce0.3MnO3-/SrNb0.005TiO3等pn異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)76-78。我們研究組在La0.7Sr0.3MnO3/Si、La0.9Sr0.1MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3、SrTiO3-/Si、LaAlO3-/Si、BaNbTiO3/Si和BaTiO3-/Si等異質(zhì)結(jié)中不僅發(fā)現(xiàn)了大的光生伏特效應(yīng)79-82，還觀測到了超快的ps量級的光電響應(yīng)。如圖1.8。 1.3本論文的主要研究內(nèi)容意義綜上所述，鈣鈦礦氧

36、化物異質(zhì)結(jié)能將不同鈣鈦礦氧化物材料性質(zhì)耦合在一起，甚至將鈣鈦礦氧化物同傳統(tǒng)半導(dǎo)體比如Si耦合在一起，因此它具有非常豐富的物理特性和工業(yè)應(yīng)用價值。研究它不但可以深入對鈣鈦礦氧化物奇異特性的理解同時也能通過這個體系設(shè)計出新型的多功能器件，無論是從物理機制的研究和工業(yè)應(yīng)用的角度，對鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)的研究都具有非常重大的意義。本論文主要是從理論的角度分析鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)中光電效應(yīng)，建立描述其動態(tài)物理過程的數(shù)學(xué)模型，同時探討它的內(nèi)在機制和可能出現(xiàn)的新現(xiàn)象。本文的研究內(nèi)容主要分為兩個部分：1）描述鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)的正向光電效應(yīng)的物理模型的建立和對其中的光摻雜效應(yīng)的研究，以及對影響正向光電響應(yīng)的因素的

37、分析；2）描述鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)中的側(cè)向光電效應(yīng)動態(tài)物理過程的物理模型的建立，和對其中發(fā)現(xiàn)的反常側(cè)向光電效應(yīng)的理論分析和計算機模擬，以及對反常側(cè)向光電效應(yīng)理論解釋。本章參考文獻1. D. H. Lowndes, D. B. Geohegon, A. A. Puretzky, D. P. Norton, and C. M. Roulean, Science 273, 898(1996)2. R. Ramesh, O. Auciello, V. G. Keramides, and R. Dat, in Science and Technology of Electroceramic Thin Fi

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