基于laalo3srtio3异质结的非易失性电子器件的设计【字数：9395】
自2004年在LaAlO3/SrTiO3异质结的界面发现有金属性以后，复杂氧化物异质结一直以来都是研究热点之一。复杂氧化物异质结由于在界面处有二维电子气、超导、自旋轨道耦合等多种物理效应，有望使其在场效应晶体管方面获得潜在的应用。我们本次的工作将以Au作为电极，在Au/LaAlO3/SrTiO3/Au异质结两端加上电压，以外加电场来调控界面处的二维电子气。通过研究无平面压应变下与3%平面压应变作用下Au/LaAlO3/SrTiO3/Au异质结的电子结构特性和运输特性，阐明在平面压应变效应下引发的电极化对异质结二维电子气调控的机理，并探讨其潜在的应用。
目 录
1 钙钛矿氧化物简介 1
1.1复杂氧化物异质结 1
1.1.1钙钛矿氧化物 1
1.1.2钙钛矿氧化物异质结 2
1.2二维电子气 2
1.2.1二维电子气简介 2
1.2.2钙钛矿氧化物异质结界面的二维电子气的发现 3
1.3二维电子气的产生机制 4
1.3.1极化灾变机制 4
1.3.2氧缺陷机制 5
1.3.3离子相互扩散机制 6
1.4对二维电子气的调控 7
1.4.1紫外光照射剂量的调控 7
1.4.2应力对二维自由电子气的影响 8
1.4.3离子弛豫对二维电子气的影响 8
2 理论计算方法及简介 9
2.1QUANTUMATK软件包 9
2.2密度泛函理论 9
3 Au/LaAlO3/SrTiO3/Au异质结平面压应变效应下的电子结构特性 11
3.1 计算方法和模型 11
3.2 计算结果与分析 11
3.3 小结与展望 14
参考文献 16
致谢 18
1 钙钛矿氧化物简介
1.1复杂氧化物异质结
1.1.1钙钛矿氧化物
钙钛矿氧化物是一类具有独特物理性质及化学性质的新型材料，在催化方面具有良好的表现，而近些年其在半导体材料方面表现优异，因而受到广泛的关注。钙钛矿材料于1839年被Gustav *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
Rose发现，之后以沙俄矿物学家LevPerovski的名字命名，因为最早被发现的钙钛矿材料是钙和钛的复合氧化物，因而在中文里我们称LevPerovski为钙钛矿[1]。后来，随着科学的发展，新物质不断的被发现，钙钛矿也就不单单特指这种钙钛复合氧化物，而用来泛指一系列具有ABO3化学式的化合物。其中A位一般是稀土或碱土元素离子，有超过20种元素可以占据（K、Ba、Sr、La等镧系金属元素）；B位为过渡元素离子，可占据的元素更是超过50种；O为氧原子。理想的钙钛矿氧化物是能带绝缘体，其结构属于立方晶体，具有对称性，为Pm3m空间群（群号221）[2]。单胞中，B位阳离子与6个最近的氧负离子对称配位形成BO6八面体，如图1.1(a)所示；A位阳离子位于八个BO6八面体的中央，其配位数为12，如图1.1(b)所示。
图1.1 理想钙钛矿氧化物结构示意图。
温度较低时，表面吸附氧起主要的氧化作用，这类吸附氧的能力取决于B位置的金属；温度较高时，则是晶格氧起作用。改变A位B位置的金属元素可以调节晶格氧数量和活性，用+2或+4价的原子部分替代晶格中+3价的A、B原子也能产生晶格缺陷或晶格氧，达到提高催化活性的目的。
在研究钙钛矿氧化物结构时，出现了实际结构与理论结构不符的情况。理论上， A位阳离子与最近O离子的间距为a/
2
，B位阳离子与最近的O离子的间距为a/2（其中a为晶格常数），若A离子半径以rA表示，B离子半径以rB表示，O离子半径以rO表示，容易发现其结构满足rA+rO=
2
（rB+rO），而实际结构中键长失配现象的出现，导致上述公式不能很好的解释该结构，即rA+rO≠
2
（rB+rO）。后来， Goldschmidt提出容忍因子t=(rA+rO)/)
2
（rB+rO），很好的解决了该立方钙钛矿晶胞离子的匹配程度问题。
1.1.2钙钛矿氧化物异质结
钙钛矿氧化物异质结，因其表现出许多有趣的物理现象和特性而受到科研工作者的青睐。钙钛矿氧化物异质结最早被广泛关注，要追溯到十五年前。2004年， Nature出现了一篇关于钙钛矿氧化物异质结特性的研究，在界内引起了强烈反响。贝尔实验室的Ohtomo和Hwang通过一系列实验研究发现LaAlO3（LAO）和SrTiO3（STO）组成的异质结的n型TiO2/LaO界面处存在二维电子气[3]。此后，许多科研工作者开始关注这一奇特的现象，并相继发现了更多的钙钛矿氧化物异质结奇特的物理特性。钙钛矿氧化物异质结的组成结构中的过渡金属氧化物，因为过渡金属的s电子转移给氧原子剩下强关联的d电子决定其物理特性，比如：电运输、磁性、超导性、光效应和导热性。这些电子关联性约束给定格点处的电子数量，并诱发电荷、自旋和轨道自由度的局域纠缠，可以引起各种现象，诸如二维电子气、超导、多铁和自旋轨道耦合。正是钙钛矿氧化物异质结表现出的这些丰富的物理内涵以及在实验方面潜在的应用前景，使得科研工作者深深被它吸引着。
1.2二维电子气
1.2.1二维电子气简介
运用量子限制等物理方法，将电子群在某一个方向上的运动局限在一个很小的空间内，而在其他两个方向上可以自由运动的系统，叫作二维电子气系。若二维电子气系系统电子密度较低，就称之为二维电子气。二维电子气的一般出现在异质结中，根据异质结构成材料的不同，会导致不同的性质。如调制掺杂异质结中的二维电子气，其拥有非常高的沿着平面方向运动的迁移率，可以用来制作性能优良的超高频、超高速场效应晶体管；又如极性非极性氧化物异质结，其界面存在如超导、自选轨道耦合等许多奇特的物理特性，因而在材料界面的应用方面具有潜在应用。
目 录
1 钙钛矿氧化物简介 1
1.1复杂氧化物异质结 1
1.1.1钙钛矿氧化物 1
1.1.2钙钛矿氧化物异质结 2
1.2二维电子气 2
1.2.1二维电子气简介 2
1.2.2钙钛矿氧化物异质结界面的二维电子气的发现 3
1.3二维电子气的产生机制 4
1.3.1极化灾变机制 4
1.3.2氧缺陷机制 5
1.3.3离子相互扩散机制 6
1.4对二维电子气的调控 7
1.4.1紫外光照射剂量的调控 7
1.4.2应力对二维自由电子气的影响 8
1.4.3离子弛豫对二维电子气的影响 8
2 理论计算方法及简介 9
2.1QUANTUMATK软件包 9
2.2密度泛函理论 9
3 Au/LaAlO3/SrTiO3/Au异质结平面压应变效应下的电子结构特性 11
3.1 计算方法和模型 11
3.2 计算结果与分析 11
3.3 小结与展望 14
参考文献 16
致谢 18
1 钙钛矿氧化物简介
1.1复杂氧化物异质结
1.1.1钙钛矿氧化物
钙钛矿氧化物是一类具有独特物理性质及化学性质的新型材料，在催化方面具有良好的表现，而近些年其在半导体材料方面表现优异，因而受到广泛的关注。钙钛矿材料于1839年被Gustav *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
Rose发现，之后以沙俄矿物学家LevPerovski的名字命名，因为最早被发现的钙钛矿材料是钙和钛的复合氧化物，因而在中文里我们称LevPerovski为钙钛矿[1]。后来，随着科学的发展，新物质不断的被发现，钙钛矿也就不单单特指这种钙钛复合氧化物，而用来泛指一系列具有ABO3化学式的化合物。其中A位一般是稀土或碱土元素离子，有超过20种元素可以占据（K、Ba、Sr、La等镧系金属元素）；B位为过渡元素离子，可占据的元素更是超过50种；O为氧原子。理想的钙钛矿氧化物是能带绝缘体，其结构属于立方晶体，具有对称性，为Pm3m空间群（群号221）[2]。单胞中，B位阳离子与6个最近的氧负离子对称配位形成BO6八面体，如图1.1(a)所示；A位阳离子位于八个BO6八面体的中央，其配位数为12，如图1.1(b)所示。
图1.1 理想钙钛矿氧化物结构示意图。
温度较低时，表面吸附氧起主要的氧化作用，这类吸附氧的能力取决于B位置的金属；温度较高时，则是晶格氧起作用。改变A位B位置的金属元素可以调节晶格氧数量和活性，用+2或+4价的原子部分替代晶格中+3价的A、B原子也能产生晶格缺陷或晶格氧，达到提高催化活性的目的。
在研究钙钛矿氧化物结构时，出现了实际结构与理论结构不符的情况。理论上， A位阳离子与最近O离子的间距为a/
2
，B位阳离子与最近的O离子的间距为a/2（其中a为晶格常数），若A离子半径以rA表示，B离子半径以rB表示，O离子半径以rO表示，容易发现其结构满足rA+rO=
2
（rB+rO），而实际结构中键长失配现象的出现，导致上述公式不能很好的解释该结构，即rA+rO≠
2
（rB+rO）。后来， Goldschmidt提出容忍因子t=(rA+rO)/)
2
（rB+rO），很好的解决了该立方钙钛矿晶胞离子的匹配程度问题。
1.1.2钙钛矿氧化物异质结
钙钛矿氧化物异质结，因其表现出许多有趣的物理现象和特性而受到科研工作者的青睐。钙钛矿氧化物异质结最早被广泛关注，要追溯到十五年前。2004年， Nature出现了一篇关于钙钛矿氧化物异质结特性的研究，在界内引起了强烈反响。贝尔实验室的Ohtomo和Hwang通过一系列实验研究发现LaAlO3（LAO）和SrTiO3（STO）组成的异质结的n型TiO2/LaO界面处存在二维电子气[3]。此后，许多科研工作者开始关注这一奇特的现象，并相继发现了更多的钙钛矿氧化物异质结奇特的物理特性。钙钛矿氧化物异质结的组成结构中的过渡金属氧化物，因为过渡金属的s电子转移给氧原子剩下强关联的d电子决定其物理特性，比如：电运输、磁性、超导性、光效应和导热性。这些电子关联性约束给定格点处的电子数量，并诱发电荷、自旋和轨道自由度的局域纠缠，可以引起各种现象，诸如二维电子气、超导、多铁和自旋轨道耦合。正是钙钛矿氧化物异质结表现出的这些丰富的物理内涵以及在实验方面潜在的应用前景，使得科研工作者深深被它吸引着。
1.2二维电子气
1.2.1二维电子气简介
运用量子限制等物理方法，将电子群在某一个方向上的运动局限在一个很小的空间内，而在其他两个方向上可以自由运动的系统，叫作二维电子气系。若二维电子气系系统电子密度较低，就称之为二维电子气。二维电子气的一般出现在异质结中，根据异质结构成材料的不同，会导致不同的性质。如调制掺杂异质结中的二维电子气，其拥有非常高的沿着平面方向运动的迁移率，可以用来制作性能优良的超高频、超高速场效应晶体管；又如极性非极性氧化物异质结，其界面存在如超导、自选轨道耦合等许多奇特的物理特性，因而在材料界面的应用方面具有潜在应用。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/rwxy/wuli/4.html
