關(guān)聯(lián)氧化物薄膜體系的新物性及離子液體電場調(diào)控的研究

1、關(guān)聯(lián)氧化物薄膜體系的新物性及離子液體電場調(diào)控的研究隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展, 傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由于摩爾定律的終結(jié)及功耗問題面臨著巨大挑戰(zhàn)。關(guān)聯(lián)氧化物體系作為電子學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域備受關(guān)注, 它主要利用新的材料體系及其人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計, 探索新的物理原理來制備新型的低功耗電子器件, 從而為電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來新的機遇。過渡金屬氧化物由于同時擁有電荷、自旋、晶格和軌道四個自由度, 并且各個自由度之間相互作用 , 使其成為一種典型的強關(guān)聯(lián)電子體系。這四個自由度之間的競爭和共存誘導(dǎo)了豐富的物理現(xiàn)象, 例如超導(dǎo)、鐵磁、鐵電、 金屬絕緣體轉(zhuǎn)變等。 錳氧化物作為一種典型的過渡金屬氧化物因其龐磁電阻效應(yīng)的

2、發(fā)現(xiàn)而受到了廣泛的研究; 另外 , 在關(guān)聯(lián)氧化物薄膜界面發(fā)現(xiàn)的高遷移率二維電子氣也開啟了研究氧化物界面特性的熱潮。本論文中 , 我們通過脈沖激光沉積技術(shù)制備了高質(zhì)量錳氧化物層狀外延薄膜和高遷移率的氧化物薄膜界面二維電子氣體系 , 研究了錳氧化物新的物理特性和界面二維電子氣離子液體輔助的電場調(diào)控, 主要獲得的成果如下:(1) 錳氧化物中的新物性 a.La.0.7Sr0.3MnO3薄膜中的弱局域化效應(yīng)量子干涉效應(yīng)通常被認為是錳氧化物在低溫時出現(xiàn)電阻極小值的原因。高磁場下電阻隨溫度呈現(xiàn)T1/2 的變化關(guān)系被指認為電子- 電子相互作用 ; 然而量子干涉效應(yīng)的另一種來源( 弱局域化效應(yīng) ) 在錳氧化物中

3、缺乏直接的實驗觀察。我們在獲得了 La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)外延薄膜后,對其進行了系統(tǒng)的輸運研究 , 發(fā)現(xiàn)了零磁場附近的電阻尖峰, 這是弱局域效應(yīng)的直接實驗證據(jù)。 通過分析擬合，我們將LSM時的低溫電阻極小值歸因于由電子-電子相互作用和弱局域化效 應(yīng)共同導(dǎo)致的量子干涉效應(yīng)。此外 , 從弱局域化效應(yīng)分析得出的相位相干長度隨溫度的變化關(guān)系表明LSMOB膜符合二維局域量子理論。這加深了對鉆氧化物局域理論的認識。b.LaMnO剛膜異質(zhì)結(jié)中的奇異磁性除了對鉆氧化物進行輸運測試,我們還對其 豐富的磁學(xué)特性進行了研究。鈕氧化物的母體材料LaMnO3(LMO)論上是A型的反鐵磁絕緣體,將其制備

4、成薄膜異質(zhì)結(jié)后呈現(xiàn)出奇異的鐵磁性, 而這鐵磁性的來源至今仍沒有確定的結(jié)論。我們制備了 LMO/SrTiO3異質(zhì)結(jié)，發(fā)現(xiàn)僅當LMO勺厚度大于5單胞時,該異質(zhì)結(jié)呈 現(xiàn)出明顯的鐵磁性并最終達到飽和(1.5 m/Mn)。結(jié)合元素分辨的電子能量損失 譜和同步輻射中的X射線吸收譜/X射線磁圓二色性譜，我們首次指認LMOt存在 多重價態(tài)的Mn離子(Mn2+,Mn3拜口 Mn4+),我們認為是多重價態(tài) Mn離子的 Mn3+-O-Mn4雙交換作用誘導(dǎo)了 LMO質(zhì)結(jié)薄膜的鐵磁性，當LMOt膜厚度小于5 單胞時,LMO不呈現(xiàn)鐵磁性，這一厚度依賴的磁性則是由于鈕氧化物中存在的死 層行為所導(dǎo)致，可能與電子重建誘導(dǎo)出的

5、Mn2+t關(guān)。我們從而排除了以前普遍認為的由于極性不連續(xù)誘導(dǎo)的電子重建、襯底與LMOW膜之間的應(yīng)力等界面效應(yīng)誘導(dǎo)的磁性。(2)氧化物界面二維電子氣的制備 和電場調(diào)控a.高遷移率界面二維電子氣器件的制備非同構(gòu)尖晶石/鈣鈦礦T-Al2O3/SrTiO3 二維電子氣擁有極高的遷移率, 然而其對應(yīng)的載流子濃度也比常規(guī)的氧化物二維電子氣高一個量級(1015cm-2) 。 為了進一步推動氧化物二維電子氣的器件化、實用化，我們使用非品的LMO乍為掩膜層制備了界面二維電子氣器 件。與此同時 , 由于特定掩膜層的引入 , 載流子濃度由原來的1015cm-2 量級有效地被抑制到1012cm-2量級。在有效抑制載流

6、子濃度的同時，二維電子氣仍保持了高遷移率(3600cm2V-1s-1)這一優(yōu)點，從而在低溫時呈現(xiàn)了 SdH量子振蕩。這對制備低功耗氧化物界面器件具有很大價值。b. 氧化物界面二維電子氣的離子液體電場調(diào)控界面處的高載流子濃度使其在傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用受到限制 , 即很難在低電壓下通過介電材料調(diào)控二維電子氣。為了克服這一長久存在的困難 , 我們使用離子液體作為介電材料,實現(xiàn)了在僅幾伏的電壓下即可達到比傳統(tǒng)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)施加幾百伏電壓更好的結(jié)果。我們通過離子液體電場調(diào)控,在丫 -A12O3/SrTiO3界面實現(xiàn)了二維電子氣 的巨大調(diào)制效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)載流子濃度，我們觀察到氧化物界面在臨界載流子濃度為3X1013cm2附近出現(xiàn)了 Lifshitz 轉(zhuǎn)變，并且伴隨著自旋軌道作用的極大增強，同時闡明了在非同構(gòu)氧化物界面二維電子氣的電子結(jié)構(gòu)。另外, 隨著載流子濃度的增加 , 電阻在低溫區(qū)還呈現(xiàn)了 Kondo 效應(yīng)。而通過施加負電壓抑制載流