應(yīng)變對(duì)ZnO基薄膜和鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)特性的調(diào)控研究.pdf

1、隨著ZnO基薄膜和鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)體系的廣泛應(yīng)用，針對(duì)該材料的研究日漸深入，應(yīng)變作為調(diào)節(jié)材料物性的重要手段，在實(shí)際的薄膜制備過(guò)程中可以通過(guò)基板的選擇和制備條件的改變來(lái)引入。本文以單層的ZnO基薄膜和雙層的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)薄膜體系為研究對(duì)象，并結(jié)合當(dāng)前兩類材料研究的熱點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)和模擬的角度出發(fā)，對(duì)應(yīng)變和單雙層薄膜材料物性的依賴關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用第一性原理研究不同等靜壓應(yīng)變和單軸應(yīng)變作用下，纖鋅礦ZnO材

2、料的結(jié)構(gòu)屬性和電子屬性變化，以及應(yīng)變對(duì)ZnO材料電子的有效質(zhì)量和遷移特性的影響。結(jié)果表明，在大的z軸單軸壓應(yīng)變作用下，ZnO從纖鋅礦結(jié)構(gòu)變?yōu)轭愂Y(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)生直接帶隙到間接帶隙的轉(zhuǎn)變。在沿z軸大約7％應(yīng)變的等靜壓作用下，ZnO從纖鋅礦結(jié)構(gòu)變?yōu)轭惤饎偸Y(jié)構(gòu)。不同應(yīng)變下電子有效質(zhì)量的研究結(jié)果表明單軸應(yīng)變下電子有效質(zhì)量變化不明顯，而在等靜壓情況下，當(dāng)z軸應(yīng)變從壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變時(shí)，電子有效質(zhì)量逐漸變小，這表明等靜壓拉應(yīng)變能有效提高ZnO的遷移

3、率。⑵對(duì)典型的透明導(dǎo)電Ga摻雜ZnO（GZO）薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，光電特性和殘余應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征后發(fā)現(xiàn)其光學(xué)禁帶寬度隨著載流子濃度和z軸方向應(yīng)變的變化呈線性變化趨勢(shì)。但是通過(guò)以前研究提出的各種理論模型都無(wú)法對(duì)本文薄膜禁帶寬度隨著載流子濃度的變化給出合理的解釋，因此我們將光學(xué)禁帶寬度的異常移動(dòng)歸結(jié)于薄膜內(nèi)應(yīng)變作用，同時(shí)通過(guò)第一性原理計(jì)算從理論上對(duì)禁帶寬度對(duì)應(yīng)變的依賴關(guān)系給出了分析和解釋。⑶采用第一原理模擬研究LaAlO3/KTaO3（LA

4、O/KTO）異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣的形成機(jī)理，以及雙軸應(yīng)變和單軸應(yīng)變對(duì)體系電子局域特性和遷移特性的影響。研究結(jié)果表明 LAO/KTO異質(zhì)結(jié)體系界面處的兩施主電子層導(dǎo)致該體系不存在金屬—絕緣體臨界轉(zhuǎn)變厚度，即使在LAO薄膜很薄的情況下，體系始終存在二維電子氣，而且電子氣的密度明顯高于相同結(jié)構(gòu)下的LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）體系。進(jìn)一步的應(yīng)變調(diào)控研究表明雙軸和單軸的拉應(yīng)變能夠讓 LAO/KTO異質(zhì)結(jié)的界面電子更局域，而且雙軸的

5、拉應(yīng)變相比單軸的拉應(yīng)變具有更好的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)雙軸拉應(yīng)變作用下的體系相比無(wú)應(yīng)變和拉應(yīng)變作用下的體系具有更好的界面電子局域性，出現(xiàn)該情況的主要原因是異質(zhì)結(jié)薄膜層中的極化強(qiáng)度對(duì)不同應(yīng)變的敏感程度不一致。雙軸應(yīng)變能夠有效的調(diào)節(jié)界面電子的遷移特性，而單軸應(yīng)變對(duì)界面電子遷移率特性基本無(wú)調(diào)節(jié)作用，同時(shí)雙軸的壓應(yīng)變作用下的體系相比無(wú)應(yīng)變和拉應(yīng)變作用下的體系具有更好的界面電子遷移特性。⑷參考研究者提出的變形彎曲的LaO/TiO2(110)界面結(jié)構(gòu)建立模

6、型，使用第一性原理模擬方法系統(tǒng)的研究LAO/STO(110)異質(zhì)結(jié)二維電子氣的形成機(jī)理，以及雙軸應(yīng)變對(duì)體系的絕緣體—金屬轉(zhuǎn)變厚度的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了具體的分析。研究結(jié)果表明LAO/STO(110)異質(zhì)結(jié)二維電子氣形成的原因主要是在異質(zhì)結(jié)界面處存在極性的不連續(xù)，使得電子從LAO薄膜轉(zhuǎn)移到STO基板上。應(yīng)變對(duì)異質(zhì)結(jié)體系轉(zhuǎn)變厚度的理論研究表明無(wú)應(yīng)變體系的轉(zhuǎn)變厚度是5個(gè)原胞。當(dāng)體系受到-4%的壓應(yīng)變時(shí)，LAO薄膜內(nèi)的極化強(qiáng)度變小，該轉(zhuǎn)變