LaBaCo2O5+δ外延薄膜的光學(xué)、電學(xué)與氣敏性能研究.pdf

1、鈣鈦礦型過渡金屬氧化物因其豐富的磁學(xué)和電學(xué)性質(zhì)已經(jīng)成為眾多學(xué)術(shù)研究的主題。LaBaCo2O5+δ(LBCO)是一種有趣的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子氧化物，被認(rèn)為有希望應(yīng)用于一系列重要技術(shù)中，如固體氧化物燃料電池、各種電池、表面催化劑、化學(xué)傳感器以及與巨磁電阻和自旋電子學(xué)相關(guān)的功能薄膜器件等。在本博士論文中，主要利用脈沖激光沉積(PLD)方法制備的高度外延的LBCO薄膜，深入研究了LBCO薄膜的電學(xué)和氣敏性能。此外，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，進(jìn)一步探討了利

2、用磁控濺射方法制備高度外延的LBCO薄膜的優(yōu)化工藝及改進(jìn)方法，并研究了薄膜的光學(xué)性質(zhì)。本工作的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)因?yàn)檩d流子類型、密度和遷移率等電輸運(yùn)系數(shù)對(duì)于制備金屬-半導(dǎo)體接觸和p-n結(jié)等常用的器件組元十分重要，我們利用霍爾測量技術(shù)表征了PLD方法外延生長在MgO(001)基片上的LBCO薄膜。為了研究缺氧對(duì)電輸運(yùn)性能的影響，LBCO薄膜在350℃，一個(gè)大氣壓的O2、N2、Ar和H2氣氛中進(jìn)行了退火處理。研究發(fā)現(xiàn)，LB

3、CO薄膜的電輸運(yùn)行為及“p-to-n”的轉(zhuǎn)變非常不尋常。因此，我們首次將載流子密度和遷移率作為電導(dǎo)率的函數(shù)畫出，并通過與半導(dǎo)體混合導(dǎo)電理論的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，進(jìn)而確定了真實(shí)的電輸運(yùn)參數(shù)。研究結(jié)果表明，在這些LBCO薄膜中，空穴和電子載流子的遷移率基本維持不變，分別為～0.85和～40cm2/Vs，但p型載流子的密度與薄膜中的氧含量密切相關(guān)。盡管霍爾測量顯示一些樣品因缺氧表現(xiàn)為“n型”導(dǎo)電，但所給出的明確證據(jù)證明缺氧不會(huì)使LBCO材料從

4、p型轉(zhuǎn)變成n型。所觀察到的n型導(dǎo)電被認(rèn)定為霍爾測量原理方面的不足所引起的實(shí)驗(yàn)假象，而不是因缺氧導(dǎo)致的真正的p到n型的轉(zhuǎn)變。此外，研究發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率的溫度微分系數(shù)比薄膜電導(dǎo)率自身對(duì)LBCO薄膜磁性隨溫度的變化更敏感。
　　(2)由于電輸運(yùn)性質(zhì)與LBCO薄膜經(jīng)歷的退火過程密切相關(guān)，我們進(jìn)一步研究了PLD方法生長的LBCO薄膜在O2、N2、Ar和H2中350℃退火后的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，只有H2氣氛退火的LBCO薄膜的結(jié)構(gòu)是特殊的，因?yàn)樵趚射

5、線衍射譜(XRD)中首次觀察到了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)有序。通過計(jì)算有序和無序LBCO相的XRD譜，并考慮了其中氧空位的排列方式，這個(gè)新的結(jié)構(gòu)序被認(rèn)定為有序的LBCO相中形成的氧空位有序，從而證明了氧空位化學(xué)有序可以在低至350℃的溫度下在H2氣氛中的LBCO薄膜中形成。通過測定不同氣氛退火后的LBCO薄膜中的應(yīng)變，氧空位濃度被認(rèn)為是薄膜中形成氧空位有序的重要原因之一。
　　(3)在LnBCO(Ln=鑭系元素)薄膜響應(yīng)O2/H2氣體切換的研

6、究中，一個(gè)特別有趣的現(xiàn)象是氣體傳感器在～400℃以下出現(xiàn)反常行為，即當(dāng)氣體從O2切換至H2以及從H2切換至O2時(shí)，傳感器的電阻隨時(shí)間不斷變化，出現(xiàn)一個(gè)尖銳的極大值。為了研究這一奇特的現(xiàn)象，我們利用LPD方法制備的外延生長在MgO(001)基片上的LBCO薄膜制作了一個(gè)氣體傳感器，并在300至800℃的溫度范圍內(nèi)研究了這個(gè)傳感器在響應(yīng)O2、4％ H2+96％ N2、N2和Ar方面的氣敏性能。研究結(jié)果證明，這個(gè)氣體傳感器對(duì)H2具有極高的靈敏

7、度，而O2/H2切換過程中表現(xiàn)的反常行為與O2+H2混合氣體中發(fā)生的LBCO催化的H-O反應(yīng)有關(guān)。根據(jù)可靠的相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，LBCO催化的H-O反應(yīng)被證明發(fā)生在LBCO薄膜表面，并提出了氣體傳感器在探測H2或者其它還原性氣體時(shí)所表現(xiàn)出的高靈敏度與通過LBCO催化反應(yīng)維持的持續(xù)向LBCO薄膜注入電子有關(guān)。這一物理模型對(duì)于設(shè)計(jì)和改進(jìn)其它類型的氣體傳感器的靈敏度也具有重要價(jià)值。
　　(4)基于低成本和大規(guī)模應(yīng)用方面的考慮，探索了利用射頻磁

8、控濺射方法沉積外延的LBCO薄膜的優(yōu)化生長工藝。研究結(jié)果顯示:LBCO薄膜在MgO(001)基片上的外延生長窗口相當(dāng)窄，與基片溫度和沉積速率密切相關(guān)。在本工作中，在87W、830℃及7Pa的優(yōu)化條件下，通過射頻濺射～5mm厚的LBCO陶瓷靶，成功實(shí)現(xiàn)了LBCO薄膜在MgO(001)基片上的外延生長，外延關(guān)系確定為LBCO(001)//MgO(001)和LBCO[100]//MgO[100]。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明了用高溫退火方法修復(fù)因機(jī)械加工

9、和拋光導(dǎo)致的MgO(001)基片的表面損傷以進(jìn)一步改善LBCO薄膜的結(jié)晶度。利用在潔凈大氣環(huán)境中經(jīng)1200、1350和1400℃退火3小時(shí)的MgO基片，首次利用射頻磁控濺射方法制備出了具有單晶特征的高度外延的LBCO薄膜。
　　(5)因?yàn)槲墨I(xiàn)中難以查到LBCO材料相關(guān)的光學(xué)常數(shù)，所以，利用磁控濺射方法制備的外延生長在MgO(001)基片上的LBCO薄膜，首次詳細(xì)研究了其光學(xué)性質(zhì)。在紫外到紅外的整個(gè)波段，LBCO薄膜介電函數(shù)的實(shí)部和

10、虛部均為正值，而且吸收光譜也沒有明顯的帶隙吸收特征。因此，LBCO薄膜所表現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)不同于典型的金屬和典型的半導(dǎo)體，所以被指認(rèn)為半金屬性。在4.5到0.1eV的能量范圍內(nèi)，吸收系數(shù)幾乎從3.7×105線性降低至6.7×103cm-1，并且在光子能量為～3.20eV附近，存在一個(gè)允許的直接紫外躍遷。在245～1700nm的光波范圍內(nèi)，通過吸收系數(shù)計(jì)算的LBCO薄膜的光電導(dǎo)率隨著光子能量的增加從～150增大到～1500S/cm，遠(yuǎn)大于其