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钙钛矿结构锰氧化物由于具有庞磁电阻效应等丰富的物理现象,成为凝聚态物理研究的热点。尤其锰氧化物兼具半导体学特征和磁电子学特征,显示了在人工结构材料和微电子学器件方面的巨大潜力。国内外很多研究发现锰氧化物异质结具有的整流行为、随偏压改变的磁电阻及磁场可调控的光伏特效应等性质,这引发了研究者对锰氧化物异质结浓厚的兴趣,这些性质可归因于外场对内建电势的调控。目前为止,定量分析锰氧化物内建电势的工作相对还比较少。锰氧化物属于强关联电子体系,其中具有自旋、轨道和晶格等多重自由度,且各自由度之间存在强烈的耦合,那么通过控制锰氧化物的各种自由度及界面情况来调制内建电势是一项重要的研究课题。本文希望通过研究能对锰氧化物异质结界面的能带结构,电子及自旋相关的输运有更深刻地认识,能对自旋电子学器件设计给出有重要参考价值的研究结果。本文研究内容主要集中在以下几个方面:一、通过定量分析内建电势,研究了载流子浓度对内建电势的影响,并讨论了锰氧化物异质结中的各种输运机制转变的规律。二、研究了晶格应力对内建电势的影响。三、利用缓冲层来调节锰氧化物异质结的界面,获得了具有磁场效应的异质结界面及丰富的输运现象,下面是本文的主要研究成果:
1、在La1-xCaxMnO3/SrTiO3: Nb中通过改变Ca掺杂量,利用传统半导体热发射电流模型对内建电势进行了计算。一方面得到了在Ca掺杂量从0到1时,内建电势的改变为~0.72eV。这和光电子发射谱得到的结果相吻合;另一方面在高Ca含量的n-n结中发现了随偏压改变的隧穿机制和热电子发射机制的转变,得出Ca含量越高,转变的特征就越明显,可见高Ca含量的锰氧化物和基片的氧离子扩散形成的高掺杂区域是隧穿电流在低偏压情况下出现的原因。
2、基于La0.67Ca0.33MnO3/SrTiO3:Nb和La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3:Nb异质结薄膜厚度变化对内建电势的光电效应研究。笔者发现了随着薄膜厚度的减小,异质结内建电势也变小。在La0.67Ca0.33Mn03/SrTiO3:Nb和La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3:Nb两体系中,内建电势随薄膜厚度的变化规律都与晶格常数随厚度的变化规律一致,可以验证基片引起的锰氧化物界面应力对内建电势有强烈影响。通过在La0.67Ca0.33MnO3/SrTiO3:Nb异质结中插入LMnO3缓冲层,得到了多层结构的锰氧化物异质结,系统研究了LMnO3厚度对异质结输运行为的影响。首先发现了在LaMnO3厚度为6nm以下时出现的正磁电阻现象,在LaMnO3为4 nm时,低温正磁电阻率达到了~90%。此现象归因于施加外场后,缓冲层释放了La0.67Ca0.33MnO3界面的载流子。另外发现了在LMnO3厚度处于6 nm和8 nm时,异质结中出现了随偏压改变的多重热发射电流机制。