KTaO3 亞穩態電子氣光電特性研究

王智超，姜昱丞

（蘇州科技大學 物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215009）

氧化物電子學的大多數重要發展都發生在21 世紀[1-2]。氧化物電子學是低維物理學的一個分支，本質上僅限于氧化物薄膜或異質結構表面和界面處形成的二維電子氣（two-dimensional electron gas，2DEG）[3]。雖然氧化物基二維電子氣中的載流子遷移率比傳統半導體至少低三個數量級，但能展示出更迷人的現象，例如磁阻中的量子振蕩[4]、超導性[5-6]、磁性[7]，以及超導性和磁性的共存[8]。在最初的幾年里，SrTiO3（STO）由于其極高的介電常數被作為首選材料[9]，隨著二維電子氣在LaAlO3/STO 界面被發現[10]，氧化物電子學的研究受到了各界學者的廣泛關注，更多的二維電子氣制備方法也相繼被提出。

在過去的十年中，人們對具有強自旋軌道耦合（spin-orbit coupling，SOC）的材料的興趣不斷增加，這促使研究人員尋找具有強自旋軌道耦合且可能超過STO 的氧化物。由于KTaO3（KTO）自旋帶分裂約為STO 的20 倍，因此，KTO 作為一種全新的鈣鈦礦氧化物進入人們的視野，特別是因為它也具有與STO 相似的晶體結構、晶格參數、電子有效質量和帶隙。對KTO 中二維電子氣的研究始于2011 年，人們觀察到可以通過使用雙電層晶體管（electric double-layered transistor，EDLT）技術在KTO 的絕緣晶體表面上誘導超導性[11]，這與STO 完全相同。值得注意的是，早在1982 年就有人提出了在KTO 中觀察超導性的可能性[12]。

筆者報道了一種在KTO 發現的全新亞穩態電子氣（metastable two-dimensional electron gas，M2DEG）與p 型材料WSe2所構成的異質結在光電存儲性能上的研究。使用氬離子束輔助轟擊法（Ar+-ion-bombardment assistant，AIBA）[13]制備KTO 表面二維電子氣，并且通過對傳統KTO 表面二維電子氣的退火處理，觀察到了具有亞穩態特性的電子氣，稱之為M2DEG。亞穩態體現在M2DEG 具有兩種不同的電子相共存，并能通過人為調控實現相轉變。基于這種新型的M2DEG，采用p 型材料WSe2與之構成范德華異質結[14]，由M2DEG 制成的異質結表現出可充電光電導特性。同時光生載流子的消耗也會影響電子氣界面的載流子分布，從而引發電子氣區域的相轉變。

1 樣品與實驗

利用AIBA 法，在KTaO3襯底上制備二維電子氣，轟擊電壓選擇300 V，氬氣流速控制在6 sccm，轟擊10 min 后在370 K 的溫度條件下退火20 min，將KTO 二維電子氣轉變為亞穩態。圖1a 展示了文中實驗所用KTO 的XRD（X-ray diffraction，XRD）衍射圖，可以清楚地看出該實驗使用的KTO 取向為（001）。圖1b 展示了轟擊前后KTO 的拉曼光譜，可以看出，氬離子束的轟擊并不會改變KTO 拉曼峰的位置。

圖1 （a）KTO 的XRD 衍射圖；（b）轟擊前后KTO 的拉曼光譜衍射圖；（c）金相顯微鏡下的WSe2/M2DEG 異質結形貌圖；（d）WSe2/M2DEG 異質結的AFM 形貌圖

異質結的制備同樣基于AIBA 法，在氬離子束轟擊前，利用機械剝離法將少層的WSe2轉移到KTO 襯底上，通過光刻-磁控濺射的方法在WSe2的一側鍍上金電極。之后進行二次光刻，繪制所需電子氣區域（一般為WSe2的另一側），即可對樣品進行AIBA 法的處理，從而制備WSe2/2DEG 異質結。制備完成的異質結金相顯微鏡視圖如圖1c 所示。并且利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）對該樣品的表面進行形貌表征（如圖1d 所示）。

KTO 具有與STO 相似的鈣鈦礦結構，它們有著相似的介電常數、晶體結構和晶格參數。同時KTO 有著比STO 更強的自旋-軌道耦合特性。這使KTO 成為下一代電子和自旋電子應用的最佳候選產品之一。與STO 不同，氬離子束轟擊處理得到的KTO 二維電子氣極易與空氣中的氧氣接觸發生還原反應，從而失效。因此，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為絕緣層，通過勻膠機均勻地在KTO 表面旋涂PMMA 層防止二維電子氣氧化失效。

將制備好的樣品放入綜合物性測量平臺（Physical Property Measurement System，PPMS）腔體內，PPMS 能夠為測試提供10 K 的低溫以及穩定的氣體環境，保證在測試的過程中，樣品不會受到外界環境的干擾。

2 結果與討論

制備好的WSe2/M2DEG 異質結在10 K 的低溫下測量不同波長的激光照射后異質結的I-V 循環曲線。圖2a 顯示了樣品在經過不同波長的激光照射后，在黑暗環境下施加偏置電壓進行載流子消耗的單次I-V 曲線，可以看出，該樣品存在可充電光電導效應，即經過激光照射后，通過施加偏壓的手段可以使光生載流子流過結界面。圖2a 同時也顯示了該樣品對532 nm 波長的單色光吸收最好，對405 nm 波長以及447 nm 波長的單色光吸收性能其次，接著是785 nm 波長與808 nm 波長的單色光，而對655 nm 波長的單色光吸收最差。研究發現在這個532 nm 波長的單色光照明下，偏置電壓能激發出更大的光電流。因此，接下來將主要以532 nm 的單色光作為測試條件。

圖2 （a）不同光波長下WSe2/KTO 異質結的I-V 放電圖；（b）532 nm 光波條件下不同電壓速率對I-V 的影響

圖2b 顯示了532 nm 波長單色光照明后，黑暗環境下不同偏壓速率對光電流的影響。當施加偏置電壓的步長為0.5 V·s-1時，10 V 的偏置電壓能激發出大約0.8 mA 的光電流，隨著偏置電壓步長的逐漸減小，10 V 的偏置電壓所能激發的光電流大小呈單調遞減趨勢。當偏置電壓步長減小至0.002 V·s-1時，10 V 的偏置電壓僅能激發大約0.4 mA 的光電流，約為0.5 V·s-1的一半。通過實驗數據可以看出，大偏壓速率能更好地激發光電流，這與一般光電導不同。對于可充電光電導，偏壓速率越大，電子空穴對的復合也越快，因此，能更快地釋放光生載流子，從而導致光電流的顯著增加。

為了進一步研究光電流對亞穩態電子氣的影響，在單次單色光照明后，黑暗環境下對樣品進行多次不同范圍的I-V 放電測試，并且在每次光電流釋放后，對KTO 電子氣進行I-V 測試，觀察亞穩態電子氣的伏安特性變化。為了不損壞器件，測試范圍選擇在10 V 以內。圖3a 顯示了單次光照明后多次光電流釋放的I-V 曲線，在一個低電壓范圍內的電子空穴對被完全消耗完后，可以通過一個更高的偏壓激發出更大的光電流。這一發現說明了光生載流子的分布與電壓范圍有關，更大的電壓范圍下可能會存在更多的載流子。

圖3 （a）一次光充能后進行多次放電的I-V 曲線；（b）每次放電后亞穩態電子氣的電阻I-V 線性關系

光生載流子往往存在于p-n 結交界面區域的兩側，由電子-空穴對為主導。當偏置電壓施加在p-n 結兩側時，能促進電子-空穴對復合，消耗光生載流子。這種對載流子的消耗作用往往不會影響p 型材料和n 型材料的電導率，但是對于亞穩態電子氣，情況卻是完全不一樣。圖3b 展示了光電流的釋放對M2DEG 的影響，當器件受到單色光照明后，在黑暗環境下不對其施加偏置電壓，M2DEG 區域呈現很好的線性關系，說明該區域內的載流子分布十分均勻。隨著偏置電壓施加在異質結兩端，光電流被釋放，此時M2DEG 區域內載流子分布也隨之發生變化，失去了原有的線性關系，并且電導率也產生巨大變化，表現為下降趨勢。隨著偏置電壓增加至10 V，M2DEG 區域內的金屬相載流子被逐漸消耗，最后表現為M2DEG 區域絕緣。該實驗說明了通過施加偏置電壓對異質結的載流子消耗，會破壞M2DEG 區域內原有的I-V 線性關系，直至電子氣區域呈現絕緣。

3 結語

AIBA 法制備的KTO 電子氣，經過高溫退火后，表現出亞穩態的特征。基于這種亞穩態電子氣制成的范德華異質結，表現出可充電光電導的特性，并且可以通過調節偏壓速率，改變電子空穴對的復合趨勢，從而改變光電流的大小。而光電流的釋放也會影響電子氣界面的載流子分布狀態，改變其原有的線性I-V 關系，使電子氣界面產生相轉變。文中講述了WSe2/M2DEG 的光電導特性，研究了M2DEG 界面的載流子損耗與異質結光電流的依賴關系，為M2DEG 的研究提供了一個新的視點。