SrRuO3/SrTiO3超晶格的制备及其电学性能研究

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钙钛矿材料是目前凝聚态物理的重点关注对象之一。该体系结构简单,其中常包含多种自由度的竞争、耦合等交叉作用,使得一系列独特的物理性质和现象随之产生,为研究电子强关联作用提供了广阔的平台。Sr Ru O3(SRO)是一种典型的钙钛矿结构材料,作为氧化物由于其优异的导电性和稳定性而受到了广泛的关注。近年来,随着二维材料研究的兴起,原子级厚度的导电铁磁材料的制备成为了一个热点问题。其中SRO被认为是实现二维自旋极化电子系统的理想候选材料。此外,SRO具有非常高的氧化还原活性,被认为极有希望应用在电催化领域。然而,SRO在电催化过程中的结构转变导致循环稳定性较差,限制了其作为电催化剂的应用。本文引入结构和化学稳定性良好的Sr Ti O3(STO)作为介质层与SRO形成超晶格,利用与STO的结构耦合稳定了单晶胞层厚度的SRO超薄膜,获得了高质量的SRO/STO超晶格样品,在单晶胞层SRO薄膜中实现了室温导电性。SRO/STO超晶格的制备为进一步研究其电磁特性和电化学稳定性等奠定了基础。本文的主要研究内容总结如下:首先,使用激光分子束外延(L-MBE)技术,通过对薄膜制备过程中各实验参数的优化设计,成功在单晶STO(001)衬底上外延制备了不同厚度的高质量SRO单晶薄膜,探究了SRO薄膜的导电性与其厚度的依赖关系。对于SRO单晶薄膜,其电学性质会随厚度降低而从体相金属态逐渐转变为绝缘态。随后,为了将SRO超薄薄膜与STO进行结构耦合,本论文针对超晶格中STO屏蔽层恰当厚度的选用进行了实验设计和确定,得出在本实验条件下SRO/STO超晶格中STO屏蔽层的最佳厚度为6 u.c.(unit cell)。在优化的超晶格结构中,获得了具有导电性的SRO单晶胞层厚度的超晶格薄膜。最后,本论文系统研究了SRO/STO超晶格的周期数、SRO层的厚度对超晶格电学性质的影响。当组成超晶格的两种材料各层薄膜的厚度一定时,超晶格的周期数会对样品的电学性质会产生很大影响。当其他条件不变时,增加导电层SRO薄膜的厚度会使得超晶格的方阻阻值降低且其电学性质发生由绝缘态向金属态的转变发生温度也同时降低。这种超晶格的特性在一定程度上扩充了SRO/STO体系在更大温度范围内实现超薄金属态的可能性,为这种超薄金属材料的应用提供了更为广阔的平台。
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