LaAlO3/SrTiO3 界面增強光伏效應*

息劍峰 李寶河 劉丹 李熊 耿愛叢 李笑

(北京工商大學物理系, 北京 102488)

1 引 言

過渡金屬氧化物材料因為具有鐵電[1]、金屬-絕緣體相變[2,3]、超導[4]等許多重要的電子特性一直是凝聚態物理領域研究的熱點[5-8].許多過渡金屬氧化物表現出結構不穩定性、強關聯電子特性、多種自由度之間的強烈耦合與競爭特性[9-13], 而這些特性在設計對于微小刺激能夠產生強烈響應的新型超敏感傳感器件時有著重要幫助.人工設計的能產生新奇物理特性的過渡金屬氧化物低維結構是研究探索界面效應的理想材料, 其中LaAlO3(LAO)與SrTiO3(STO)之間的LAO/STO 界面自從2004 年被發現具有高遷移率的二維電子氣后, 一直引起研究者們的廣泛關注[14].

LAO/STO 界面有著塊體材料中不存在的非凡特性, 例如高電子遷移率[15]、超導性[16]、鐵磁性[17]、各種電場條件下的可調諧性[18,19]、光電導特性[20]、鐵電極化[21]等.已經有許多機制被提出用來解釋LAO/STO 界面二維電子氣的起源.其中最被認可的理論之一叫作“極化災難”[22,23], 它解釋了界面的傳導性以及輸運特性的厚度依賴性、臨界厚度、門電壓的可調節性等現象.除了極化災難理論外還有一些理論解釋LAO/STO 界面二維電子氣的起源, 例如氧空位理論[24]、界面原子擴散理論[25]等, 但是對于LAO/STO 界面二維電子氣的起源仍然存在爭論[26,27], 因此研究LAO/STO 界面所發現的新奇物理現象, 探究LAO/STO 界面二維電子氣的起源, 對理解關聯電子系統中多自由度耦合和設計新型功能材料器件是至關重要的.基于此, 本文應用脈沖激光沉積方法在SrTiO3單晶基底上外延生長了LAO/STO 薄膜, 研究了LAO/STO 界面對LAO/STO 薄膜光伏效應的影響, 結果發現LAO 與STO 之間的界面效應可以增強樣品的光伏特性, 通過偏壓可以進一步調控LAO/STO 界面增強光伏效應的作用.這種LAO/STO 界面增強的光伏效應, 在以往的文獻中未見報道, 其在研發新型場調控光電探測器件方面具有潛在應用價值.

2 實驗部分

2.1 樣品制備

LAO/STO 薄膜樣品由裝有反射式高能電子衍射儀(reflection high-energy electron diffracion,RHEED)的脈沖激光沉積(pulsed laser deposition, PLD)系統制備.樣品制備在STO(001)基片上, 樣品制備前STO 基片由氫氟酸處理后在950 ℃下熱處理3 h 使STO 基片表面終止層為TiO2面.PLD 系統使用的激光波長為248 nm, 激光能量密度為1 J/cm2.生長時基片溫度700 ℃, 環境氧壓0.01 mbar (1 mbar = 100 Pa), 靶材與基片間距為70 mm.通過原位監控的RHEED 確定生長的LAO 層和STO 層厚度都約為36 nm.

2.2 測試方法

使 用FEI Tecnai G2 F20 場 發 射 高 分 辨 透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)對樣品進行微觀結構表征.制備樣品表面尺寸為5 mm × 10 mm, 厚度為0.5 mm, 經過丙酮與酒精清洗后在樣品表面兩側制備了尺寸為5 mm × 1 mm 的銀電極, 電極之間間距為8 mm.光伏效應測試的光源為Coherent COMPex50 型準分子激光器, 激光波長為248 nm, 激光脈寬為20 ns, 激光發出后經過擴束鏡擴束保證出射激光的能量均勻性, 激光能量密度約為50 mJ/cm2.光伏效應的信號采集由采樣帶寬為350 MHz 的Tektronix DPO4032 型數字示波器完成.測試偏壓由Keithley 2400 型數字源表提供.

3 結果與討論

圖1 為LAO/STO 薄膜樣品的截面TEM 圖.圖1(a)為LAO/STO 薄膜樣品的低分辨截面TEM圖, 圖1(b)與圖1(c)分別為STO/LAO 界面處與LAO/STO 界面處放大的高分辨截面TEM 圖.可以看出, LAO 層與STO 層的厚度與RHEED 監測的生長厚度一致, LAO 與STO 的界面平整清晰,沒有觀察到任何雜相和可見的相互擴散區域, LAO層和STO 層都實現了外延生長.

圖1 LAO/STO 樣品的截面TEM 圖 (a)整體TEM 圖;(b) LAO/STO 界面高分 辨TEM 圖; (c) STO/LAO 界面高分辨TEM 圖Fig.1.TEM images of LAO/STO sample: (a) TEM image of LAO/STO sample; (b) HR-TEM image of LAO/STO interface; (c) HR-TEM image of STO/LAO interface.

圖2 (a)為使用激光正面照射LAO/STO 樣品膜面兩個電極之間5 mm × 8 mm 區域不同偏壓下的光生電壓波形圖.測試電路如圖2(b)的插圖所示.從圖2(a)中可以看出, 當激光照射LAO/STO樣品時, 樣品中產生了瞬態的光伏效應, 并且光伏效應的復合時間較長, 超過2 ms.由圖2(b)可以看出, 激光照射LAO/STO 樣品正面的光生電壓隨著偏壓的增加基本上線性增加, 當偏壓為20 V 時 樣 品 的 光 電 壓 為177 mV, 當 偏 壓 升 為80 V 時樣品的光電壓為1292 mV.因為248 nm激光的光子能量約為5 eV, 大于STO 的禁帶寬度3.2 eV, 所以當光照射在樣品上時電子吸收光子能量從價帶激發到導帶, 形成了非平衡光生載流子.這些載流子被偏壓所提供的電場分離, 使樣品兩端探測到了光電壓, 隨著偏壓的增大, 光電壓也逐漸增大.圖2(c)為使用激光側面照射LAO/STO 樣品界面0.5 mm × 8.0 mm 區域時(如圖2(d)插圖所示)在不同偏壓下的光生電壓波形圖.可以看出,側面照射LAO/STO 樣品界面的光生電壓的波形與正面照射樣品時的光生電壓波形基本一致, 但是照射界面的光伏效應復合時間明顯高于照射膜面的復合時間.從圖2(d)可以看出, 側面照射LAO/STO 界面產生的光生電壓也隨著偏壓的增加逐漸增加, 當偏壓為20 V 時光電壓為52 mV,當偏壓為80 V 時光電壓上升到325 mV.因為側面照射界面的光照區域大小僅是正面照射膜面的1/10, 而激光能量密度不變, 經計算可知, 同等能量激光照射LAO/STO 樣品界面產生的光電壓遠高于激光照射樣品膜面時所產生的光電壓, 這說明LAO 與STO 之間的界面效應對樣品的瞬態光伏效應有增強作用.這可能是因為當LAO 層和STO 層的厚度超過30 層原胞(約12 nm)時, 大約70%的電子都會被束縛在LAO/STO 界面附近3 nm 的區域內[28], 當光直接照射LAO/STO 界面的光響應度遠高于光經過膜面作用到LAO/STO 界面層的光響應度時, 導致了光側面照射LAO/STO 樣品界面時產生的光伏效應高于光正面照射樣品膜面時的光伏效應.

圖2 (a) 不同偏壓下248 nm 激光正面照射LAO/STO 樣品光生電壓波形圖; (b) 正面照射光生電壓隨偏壓的變化; (c) 不同偏壓下激光側面照射LAO/STO 樣品光生電壓波形圖; (d) 側面照射光生電壓隨偏壓的變化Fig.2.(a) Photovoltaic waveforms for LAO/STO sample at different bias voltages under the 248 nm laser front illumination;(b) photovoltages as a function of bias voltages under front illumination; (c) photovoltaic waveforms for LAO/STO sample at different bias voltages under side illumination; (d) photovoltages as a function of bias voltages under side illumination.

為進一步探究LAO/STO 界面效應對光伏效應的影響, 在偏壓為50 V 的情況下測試了LAO/STO 樣品正面和側面部分區域光照時樣品的光生電壓.如圖3 中的插圖所示, 光照區域左端靠近LAO/STO 樣品左側電極, 通過狹縫改變光照區域的寬度d, 測量光電壓.從圖3(a)可以看出, 正面照射LAO/STO 樣品膜面時, 樣品的光電壓隨著光照區域的增大而增加.光電壓在光照區域寬度為1 mm 時為60 mV, 當光照區域寬度為7 mm時光電壓增加到了787 mV.這說明光照區域中產生的光生載流子可以傳導通過非光照區.當激光照射樣品時, 光照區域中產生的光生載流子由于偏壓的作用被分離為電子和空穴在光照區域邊緣聚集.在非光照區域中, 光照區域邊緣聚集的光生載流子經由LAO/STO 界面層向探測電極傳導擴散, 隨著擴散距離的增加光生載流子濃度呈指數級衰減,在非光照區域中產生了一個梯度電場.所以樣品的光電壓與光照區域寬度之間呈指數變化.當側面照射LAO/STO 樣品界面部分區域時也可以探測到光電壓, 當光照區域寬度為1 mm 時樣品的光電壓為40 mV, 隨著光照區域寬度的增加, 樣品的光電壓基本上呈線性增加, 當光照區域寬度為7 mm時, 樣品的光電壓為230 mV, 如圖3(b)所示.這可能因為側面照射產生的光生載流子主要集中于LAO/STO 界面附近[29], 這些載流子在非光照區經由LAO/STO 界面層的傳導好于正面照射膜面產生載流子在不同層之間的擴散, 所以側面照射的光電壓與光照區域寬度之間基本呈線性變化.同樣光照面積下, 側面照射LAO/STO 界面部分區域的光電壓高于正面照射LAO/STO 膜面部分區域的光電壓.

當偏壓為50 V, 光照區域大小不變, 位置由一側電極向另一側電極逐漸移動時, 在LAO/STO樣品上觀測到了明顯的橫向光伏效應.正面照射樣品膜面時光照區域大小為5 mm × 2 mm.如圖4(a)所示, 橫軸X為光照區域左側距離左端電極的距離, 縱軸為樣品的光電壓, 可以看出LAO/STO 樣品的光電壓隨著光照位置從左側電極向右側電極移動逐漸增加, 當光照位置緊貼左端電極時為65 mV, 當光照位置緊貼右端電極時為165 mV.側面照射LAO/STO 界面時同樣具有橫向光伏效應, 光照區域大小為0.5 mm × 2.0 mm, 光照區域靠近左側電極時光電壓為52 mV, 靠近右側電極時光電壓為90 mV, 如圖4(b)所示.

LAO/STO 界面產生的界面效應使側面照射樣品時具有了更高的橫向光伏靈敏度.側面照射樣品時, 通過LAO/STO 界面到達各個電極的非平衡載流子數目會變多.根據異質結非均勻照射時載流子的濃度分布, 兩個電極之間的電勢差可以表示為[30,31]

式中L和-L是兩個電極的位置,x是光照區域位置,Kf是比例系數,λf是載流子擴散長度,N0是x位置的光生載流子數目.理想情況下, (1)式可以簡化為

圖3 (a) 正面照射樣品光生電壓隨光照區域寬度d 展寬的變化; (b) 側面照射樣品光生電壓隨光照區域寬度d 展寬的變化Fig.3.(a) Photovoltages as a function of irradiated area width d under front illumination; (b) photovoltages as a function of irradiated area width d under side illumination.

圖4 (a) 正面照射樣品光生電壓隨光照區域位置X 的變化; (b) 側面照射樣品光生電壓隨光照區域位置X 的變化Fig.4.(a) Photovoltages as a function of irradiated position X under front illumination; (b) photovoltages as a function of irradiated position X under side illumination.

圖5 偏壓為60 V 時正面和側面照射樣品光生電壓隨光照區域位置的變化Fig.5.Photovoltages as a function of irradiated position under front illumination and side illumination at bias voltage 60 V.

4 結 論

本文采用PLD 方法在STO 單晶襯底上制備了LAO/STO 薄膜, 研究了LAO/STO 界面對光伏效應的影響.研究發現, LAO/STO 界面的界面效應對光伏效應有明顯增強作用, 在同樣光照能量下照射LAO/STO 界面產生的光電壓遠高于照射LAO/STO 膜面產生的光電壓.利用偏壓可以進一步調控LAO/STO 界面對光伏效應的增強作用, 使LAO/STO 樣品的位置探測靈敏度達到了36.8 mV/mm.這為設計新型場調控位置敏感探測器等光電子器件提供了新的思路.