LaAlO3/SrTiO3 界面增强光伏效应*

息剑峰 李宝河 刘丹 李熊 耿爱丛 李笑

(北京工商大学物理系, 北京 102488)

1 引 言

过渡金属氧化物材料因为具有铁电[1]、金属-绝缘体相变[2,3]、超导[4]等许多重要的电子特性一直是凝聚态物理领域研究的热点[5-8].许多过渡金属氧化物表现出结构不稳定性、强关联电子特性、多种自由度之间的强烈耦合与竞争特性[9-13], 而这些特性在设计对于微小刺激能够产生强烈响应的新型超敏感传感器件时有着重要帮助.人工设计的能产生新奇物理特性的过渡金属氧化物低维结构是研究探索界面效应的理想材料, 其中LaAlO3(LAO)与SrTiO3(STO)之间的LAO/STO 界面自从2004 年被发现具有高迁移率的二维电子气后, 一直引起研究者们的广泛关注[14].

LAO/STO 界面有着块体材料中不存在的非凡特性, 例如高电子迁移率[15]、超导性[16]、铁磁性[17]、各种电场条件下的可调谐性[18,19]、光电导特性[20]、铁电极化[21]等.已经有许多机制被提出用来解释LAO/STO 界面二维电子气的起源.其中最被认可的理论之一叫作“极化灾难”[22,23], 它解释了界面的传导性以及输运特性的厚度依赖性、临界厚度、门电压的可调节性等现象.除了极化灾难理论外还有一些理论解释LAO/STO 界面二维电子气的起源, 例如氧空位理论[24]、界面原子扩散理论[25]等, 但是对于LAO/STO 界面二维电子气的起源仍然存在争论[26,27], 因此研究LAO/STO 界面所发现的新奇物理现象, 探究LAO/STO 界面二维电子气的起源, 对理解关联电子系统中多自由度耦合和设计新型功能材料器件是至关重要的.基于此, 本文应用脉冲激光沉积方法在SrTiO3单晶基底上外延生长了LAO/STO 薄膜, 研究了LAO/STO 界面对LAO/STO 薄膜光伏效应的影响, 结果发现LAO 与STO 之间的界面效应可以增强样品的光伏特性, 通过偏压可以进一步调控LAO/STO 界面增强光伏效应的作用.这种LAO/STO 界面增强的光伏效应, 在以往的文献中未见报道, 其在研发新型场调控光电探测器件方面具有潜在应用价值.

2 实验部分

2.1 样品制备

LAO/STO 薄膜样品由装有反射式高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffracion,RHEED)的脉冲激光沉积(pulsed laser deposition, PLD)系统制备.样品制备在STO(001)基片上, 样品制备前STO 基片由氢氟酸处理后在950 ℃下热处理3 h 使STO 基片表面终止层为TiO2面.PLD 系统使用的激光波长为248 nm, 激光能量密度为1 J/cm2.生长时基片温度700 ℃, 环境氧压0.01 mbar (1 mbar = 100 Pa), 靶材与基片间距为70 mm.通过原位监控的RHEED 确定生长的LAO 层和STO 层厚度都约为36 nm.

2.2 测试方法

使 用FEI Tecnai G2 F20 场 发 射 高 分 辨 透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)对样品进行微观结构表征.制备样品表面尺寸为5 mm × 10 mm, 厚度为0.5 mm, 经过丙酮与酒精清洗后在样品表面两侧制备了尺寸为5 mm × 1 mm 的银电极, 电极之间间距为8 mm.光伏效应测试的光源为Coherent COMPex50 型准分子激光器, 激光波长为248 nm, 激光脉宽为20 ns, 激光发出后经过扩束镜扩束保证出射激光的能量均匀性, 激光能量密度约为50 mJ/cm2.光伏效应的信号采集由采样带宽为350 MHz 的Tektronix DPO4032 型数字示波器完成.测试偏压由Keithley 2400 型数字源表提供.

3 结果与讨论

图1 为LAO/STO 薄膜样品的截面TEM 图.图1(a)为LAO/STO 薄膜样品的低分辨截面TEM图, 图1(b)与图1(c)分别为STO/LAO 界面处与LAO/STO 界面处放大的高分辨截面TEM 图.可以看出, LAO 层与STO 层的厚度与RHEED 监测的生长厚度一致, LAO 与STO 的界面平整清晰,没有观察到任何杂相和可见的相互扩散区域, LAO层和STO 层都实现了外延生长.

图1 LAO/STO 样品的截面TEM 图 (a)整体TEM 图;(b) LAO/STO 界面高分 辨TEM 图; (c) STO/LAO 界面高分辨TEM 图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.

图2 (a)为使用激光正面照射LAO/STO 样品膜面两个电极之间5 mm × 8 mm 区域不同偏压下的光生电压波形图.测试电路如图2(b)的插图所示.从图2(a)中可以看出, 当激光照射LAO/STO样品时, 样品中产生了瞬态的光伏效应, 并且光伏效应的复合时间较长, 超过2 ms.由图2(b)可以看出, 激光照射LAO/STO 样品正面的光生电压随着偏压的增加基本上线性增加, 当偏压为20 V 时 样 品 的 光 电 压 为177 mV, 当 偏 压 升 为80 V 时样品的光电压为1292 mV.因为248 nm激光的光子能量约为5 eV, 大于STO 的禁带宽度3.2 eV, 所以当光照射在样品上时电子吸收光子能量从价带激发到导带, 形成了非平衡光生载流子.这些载流子被偏压所提供的电场分离, 使样品两端探测到了光电压, 随着偏压的增大, 光电压也逐渐增大.图2(c)为使用激光侧面照射LAO/STO 样品界面0.5 mm × 8.0 mm 区域时(如图2(d)插图所示)在不同偏压下的光生电压波形图.可以看出,侧面照射LAO/STO 样品界面的光生电压的波形与正面照射样品时的光生电压波形基本一致, 但是照射界面的光伏效应复合时间明显高于照射膜面的复合时间.从图2(d)可以看出, 侧面照射LAO/STO 界面产生的光生电压也随着偏压的增加逐渐增加, 当偏压为20 V 时光电压为52 mV,当偏压为80 V 时光电压上升到325 mV.因为侧面照射界面的光照区域大小仅是正面照射膜面的1/10, 而激光能量密度不变, 经计算可知, 同等能量激光照射LAO/STO 样品界面产生的光电压远高于激光照射样品膜面时所产生的光电压, 这说明LAO 与STO 之间的界面效应对样品的瞬态光伏效应有增强作用.这可能是因为当LAO 层和STO 层的厚度超过30 层原胞(约12 nm)时, 大约70%的电子都会被束缚在LAO/STO 界面附近3 nm 的区域内[28], 当光直接照射LAO/STO 界面的光响应度远高于光经过膜面作用到LAO/STO 界面层的光响应度时, 导致了光侧面照射LAO/STO 样品界面时产生的光伏效应高于光正面照射样品膜面时的光伏效应.

图2 (a) 不同偏压下248 nm 激光正面照射LAO/STO 样品光生电压波形图; (b) 正面照射光生电压随偏压的变化; (c) 不同偏压下激光侧面照射LAO/STO 样品光生电压波形图; (d) 侧面照射光生电压随偏压的变化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.

为进一步探究LAO/STO 界面效应对光伏效应的影响, 在偏压为50 V 的情况下测试了LAO/STO 样品正面和侧面部分区域光照时样品的光生电压.如图3 中的插图所示, 光照区域左端靠近LAO/STO 样品左侧电极, 通过狭缝改变光照区域的宽度d, 测量光电压.从图3(a)可以看出, 正面照射LAO/STO 样品膜面时, 样品的光电压随着光照区域的增大而增加.光电压在光照区域宽度为1 mm 时为60 mV, 当光照区域宽度为7 mm时光电压增加到了787 mV.这说明光照区域中产生的光生载流子可以传导通过非光照区.当激光照射样品时, 光照区域中产生的光生载流子由于偏压的作用被分离为电子和空穴在光照区域边缘聚集.在非光照区域中, 光照区域边缘聚集的光生载流子经由LAO/STO 界面层向探测电极传导扩散, 随着扩散距离的增加光生载流子浓度呈指数级衰减,在非光照区域中产生了一个梯度电场.所以样品的光电压与光照区域宽度之间呈指数变化.当侧面照射LAO/STO 样品界面部分区域时也可以探测到光电压, 当光照区域宽度为1 mm 时样品的光电压为40 mV, 随着光照区域宽度的增加, 样品的光电压基本上呈线性增加, 当光照区域宽度为7 mm时, 样品的光电压为230 mV, 如图3(b)所示.这可能因为侧面照射产生的光生载流子主要集中于LAO/STO 界面附近[29], 这些载流子在非光照区经由LAO/STO 界面层的传导好于正面照射膜面产生载流子在不同层之间的扩散, 所以侧面照射的光电压与光照区域宽度之间基本呈线性变化.同样光照面积下, 侧面照射LAO/STO 界面部分区域的光电压高于正面照射LAO/STO 膜面部分区域的光电压.

当偏压为50 V, 光照区域大小不变, 位置由一侧电极向另一侧电极逐渐移动时, 在LAO/STO样品上观测到了明显的横向光伏效应.正面照射样品膜面时光照区域大小为5 mm × 2 mm.如图4(a)所示, 横轴X为光照区域左侧距离左端电极的距离, 纵轴为样品的光电压, 可以看出LAO/STO 样品的光电压随着光照位置从左侧电极向右侧电极移动逐渐增加, 当光照位置紧贴左端电极时为65 mV, 当光照位置紧贴右端电极时为165 mV.侧面照射LAO/STO 界面时同样具有横向光伏效应, 光照区域大小为0.5 mm × 2.0 mm, 光照区域靠近左侧电极时光电压为52 mV, 靠近右侧电极时光电压为90 mV, 如图4(b)所示.

LAO/STO 界面产生的界面效应使侧面照射样品时具有了更高的横向光伏灵敏度.侧面照射样品时, 通过LAO/STO 界面到达各个电极的非平衡载流子数目会变多.根据异质结非均匀照射时载流子的浓度分布, 两个电极之间的电势差可以表示为[30,31]

式中L和-L是两个电极的位置,x是光照区域位置,Kf是比例系数,λf是载流子扩散长度,N0是x位置的光生载流子数目.理想情况下, (1)式可以简化为

图3 (a) 正面照射样品光生电压随光照区域宽度d 展宽的变化; (b) 侧面照射样品光生电压随光照区域宽度d 展宽的变化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.

图4 (a) 正面照射样品光生电压随光照区域位置X 的变化; (b) 侧面照射样品光生电压随光照区域位置X 的变化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.

图5 偏压为60 V 时正面和侧面照射样品光生电压随光照区域位置的变化Fig.5.Photovoltages as a function of irradiated position under front illumination and side illumination at bias voltage 60 V.

4 结 论

本文采用PLD 方法在STO 单晶衬底上制备了LAO/STO 薄膜, 研究了LAO/STO 界面对光伏效应的影响.研究发现, LAO/STO 界面的界面效应对光伏效应有明显增强作用, 在同样光照能量下照射LAO/STO 界面产生的光电压远高于照射LAO/STO 膜面产生的光电压.利用偏压可以进一步调控LAO/STO 界面对光伏效应的增强作用, 使LAO/STO 样品的位置探测灵敏度达到了36.8 mV/mm.这为设计新型场调控位置敏感探测器等光电子器件提供了新的思路.