應(yīng)變對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，在實際的薄膜制備過程中可以通過基板的選擇和制備條件的改變來引入。本文以單層的ZnO基薄膜和雙層的鈣鈦礦型異質(zhì)結(jié)薄膜體系為研究對象，并結(jié)合當(dāng)前兩類材料研究的熱點(diǎn)，從實驗和模擬的角度出發(fā)，對應(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，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)行實驗表征后發(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。但是通過以前研究提出的各種理論模型都無法對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歸結(jié)于薄膜內(nèi)應(yīng)變作用，同時通過第一性原理計算從理論上對禁帶寬度對應(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，同時雙軸拉應(yīng)變作用下的體系相比無應(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)變對界面電子遷移率特性基本無調(diào)節(jié)作用，同時雙軸的壓應(yīng)變作用下的體系相比無應(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)變對體系的絕緣體—金屬轉(zhuǎn)變厚度的影響，并結(jié)合實驗結(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)變對異質(zhì)結(jié)體系轉(zhuǎn)變厚度的理論研究表明無應(yīng)變體系的轉(zhuǎn)變厚度是5個原胞。當(dāng)體系受到-4%的壓應(yīng)變時，LAO薄膜內(nèi)的極化強(qiáng)度變小，該轉(zhuǎn)變