【摘 要】
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异质界面常见于异质结结构中,由于其在调控器件功能上的重要作用被广泛的运用在各种功能器件结构中。但是大量的界面也不可避免的增加了器件整体的热阻,因此异质界面上的热输运性质的测量及调控成为器件设计中的一个重要的考虑因素。异质结构中通过调控势垒和掺杂可获得具有高迁移率的二维电子气,而这些自由电子仅存在于异质界面附近。在垂直于界面的传热过程中,二维电子气对于界面上的热输运有何作用将是本论文研究的重点。我们
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异质界面常见于异质结结构中,由于其在调控器件功能上的重要作用被广泛的运用在各种功能器件结构中。但是大量的界面也不可避免的增加了器件整体的热阻,因此异质界面上的热输运性质的测量及调控成为器件设计中的一个重要的考虑因素。异质结构中通过调控势垒和掺杂可获得具有高迁移率的二维电子气,而这些自由电子仅存在于异质界面附近。在垂直于界面的传热过程中,二维电子气对于界面上的热输运有何作用将是本论文研究的重点。我们选取氧化物体系中的LaAlO3/SrTiO3异质结作为研究对象,运用时域热反射法测量其界面热导,从而研究界面上的二维电子气在LaAlO3/SrTiO3异质结中的传热作用。选取LaAlO3/SrTiO3异质结的原因主要有两点:一是因为LaAlO3/SrTiO3异质结中的二维电子气可通过生长中截止面的调控来实现,不需要额外引入掺杂源,这样可以忽略杂质对声子的散射,重点研究电子在界面热输运中发挥的作用;二是因为在这个体系中二维电子气出现在LaAlO3和SrTiO3这两个宽带隙绝缘体之间,从传热的角度来说,电子和声子的相互作用只可能发生在异质界面上,这为研究电子与声子间的相互作用提供了一个很好的平台。本论文主要对一系列脉冲激光沉积法生长得到的LaAlO3/SrTiO3异质结进行了系统的热学输运性质研究,建立模型分析了这一系统的界面热输运机理,获得了电声子耦合与界面热输运的关系。一系列的结构表征手段包括X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和电子能量损失谱（EELS）确定了SrTiO3衬底上生长得到的LaAlO3薄膜具有良好的单晶质量与界面质量。实验样品分为具有和不具有二维电子气的两类,其导电性能通过电学表征进行了确认。我们运用时域热反射法测量获得了LaAlO3/SrTiO3的界面热导数据,结果显示,LaAlO3/SrTiO3的界面热导随着LaAlO3薄膜厚度的增加而减小,暗示了LaAlO3的尺寸变化导致的声子过滤。在相同的LaAlO3厚度下,具有二维电子气的样品的界面热导更高,且这一界面热导增强的趋势在高温下更加明显。在460 K,具有二维电子气的样品（10 u.c.LaAlO3）的界面热导为0.2 GW m-2 K-1,比没有二维电子气的提高了60%。我们建立了界面传热的模型,通过理论计算发现,当界面存在二维电子气时,电子将通过电声子耦合参与到界面的热输运过程中,因此界面处除了声子-声子输运外还形成了新的热输运通道,从而获得更高的界面热导。理论计算结果表明,在LAO/STO体系中,室温时的电声子耦合系数在1016W m-3 K-1量级。而电子对界面热输运的作用同时受到电声子耦合系数和二维电子气的厚度的影响,本论文也对这些影响因素进行了讨论。本论文通过对LaAlO3/SrTiO3的界面热输运性质的研究揭示了二维电子气参与界面热输运的方式以及在界面热输运的作用,获得了LaAlO3/SrTiO3体系中电声子耦合系数,室温下为1016 W m-3 K-1。除此之外,本论文还对铝膜的质量及对于金属/半导体异质界面热输运的影响进行了研究。以上研究成果揭示了二维电子气在异质界面热输运中的作用,有助于我们深入理解异质界面上热输运的机理,也为微纳电子器件中的热管理提供了新的调控手段。
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