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钛酸锶(SrTiO3,以下简称STO)是一种重要的电子材料,是典型的钙钛矿结构氧化物,具有丰富的物理现象。在105K,单晶STO发生立方(Pm3m)-四方(I4/mcm)结构相变,由TiO6八面体沿长轴旋转引起,相邻的两个TiO6八面体旋转方向相反,晶体单胞对称性降低且体积变大。STO还是一种原型铁电材料,但是由于热涨落,即使降温到OK附近也观察不到铁电现象。而通过阳离子掺杂和氧同位素替代,可以使得体材料STO中出现可观的铁电性。
随着薄膜制备技术的成熟,人们在薄膜STO中发现了许多新的物理效应。
立方-四方结构相变的转变温度受薄膜面内应变和膜厚的直接影响。处于应变的STO薄膜中还出现了铁电性,并且其相变温度也可以通过控制应变的大小来调节。J.H.Haenil等人在DyScO3(DSO)衬底上制备的具有室温铁电性的STO薄膜,还观察到了多铁现象。
STO薄膜中出现的新的物理效应最根本原因在于衬底通过界面的作用改变了STO的微观结构。因此,我们用PLD在STO衬底上生长了STO薄膜,通过控制生长时的氧气氛可得到金属性和半导体性的薄膜样品。通过高分辨X射线衍射(HRXRD)分析,发现金属性薄膜和衬底晶格没有平行,而是相互扭转了一个角度,而半导体薄膜样品并没有这种现象。同时利用PLD在LaAlO3(LAO)上生长了STO薄膜,研究发现薄膜是完全外延生长的,薄膜质量比较均匀,但是比STO衬底上生长的STO薄膜质量略差,这一点和晶格失配度大小分析结果一致。
另外,利用LMBE我们还成功在GaAs上生长了STO薄膜,研究发现薄膜是外延生长的,但薄膜质量较差,且计算得到的面内晶格参数变小,不符合衬底晶格参数比STO大的事实。初步判断这是由于GaAs衬底在生长时被STO中的氧氧化,形成的氧化层改变了原本应该具有的生长条件。另外,所有的薄膜都在面内发生了四方畸变。