Al2O3/SrTiO3及Al2O3/KTaO3异质结的电输运性质研究

作     者：马晓蓉 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高矿红

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：氧化物异质结 二维电子气 室温迁移率 电子-电子相互作用 

摘      要：在氧化物界面处产生的二维电子气体(2DEG)因具有许多奇异的物理性质而受到了人们的广泛研究。在AlO/Sr Ti O(STO)和AlO/KTa O(KTO)异质结界面上发现的2DEG,为实现新一代全氧化物以及自旋电子器件提供了机会。然而,STO基氧化物异质界面的室温迁移率较低(0.5-10 cm/Vs),限制了其在电子器件方面的应用。再者,以往的研究大多数都集中在STO基2DEG上,对于KTO基2DEG却鲜有研究。基于此,本文主要对AlO/STO和AlO/KTO异质结的电输运特性进行了研究。获得了以下结果:(1)采用磁控溅射法制备了不同基底温度下的AlO/STO异质结,对其电输运特性进行了研究。通过改变生长温度以及进行退火实现了对载流子浓度的调控。550℃及以上的样品其电阻-温度曲线呈现出了良好的金属导电特性,表明在异质结界面处产生了高质量的2DEG。在生长温度为600℃的样品中获得了高达41 cm/Vs的室温迁移率,远高于文献的报道值。通过对迁移率散射机制的分析,发现较高的载流子浓度是产生高室温迁移率的主要原因。电子-电子散射和LO声子散射同时对室温迁移率起作用,主导因素仍然是LO声子散射。文中还观察到了STO晶格中发生的结构相变,引起了磁电阻随温度的变化。(2)首次采用磁控溅射法获得了AlO/KTO异质结,研究了这一新型氧化物异质结的电输运性质。随着温度的降低,电阻-温度曲线呈现出先下降(T50 K),后剧烈增大(10 KT50 K),而后趋于饱和(T10 K)的变化趋势。电阻随温度下降而降低表明界面处呈现出金属导电特性。在10 KT50 K时,电阻剧烈增大,表现出与温度的对数依赖性,通过理论分析,我们将这种对数温度关系归因于弱局域效应以及电子-电子相互作用的共同影响,并非来自近藤效应,这是电子-电子相互作用在氧化物异质结体系中的首次报道。测试磁电阻效应,发现低磁场范围内存在由Rashba自旋轨道耦合引起的反弱局域效应。低温电阻的饱和原因很可能来源于反弱局域效应和电子-电子相互作用之间的竞争。文中通过改变基底温度实现了对电输运特性的调控,室温迁移率在13.2-25.8 cm/Vs的范围内发生变化,并且随着基底温度的升高而逐渐增大。