KTaO3 亚稳态电子气光电特性研究

王智超，姜昱丞

（苏州科技大学 物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009）

氧化物电子学的大多数重要发展都发生在21 世纪[1-2]。氧化物电子学是低维物理学的一个分支，本质上仅限于氧化物薄膜或异质结构表面和界面处形成的二维电子气（two-dimensional electron gas，2DEG）[3]。虽然氧化物基二维电子气中的载流子迁移率比传统半导体至少低三个数量级，但能展示出更迷人的现象，例如磁阻中的量子振荡[4]、超导性[5-6]、磁性[7]，以及超导性和磁性的共存[8]。在最初的几年里，SrTiO3（STO）由于其极高的介电常数被作为首选材料[9]，随着二维电子气在LaAlO3/STO 界面被发现[10]，氧化物电子学的研究受到了各界学者的广泛关注，更多的二维电子气制备方法也相继被提出。

在过去的十年中，人们对具有强自旋轨道耦合（spin-orbit coupling，SOC）的材料的兴趣不断增加，这促使研究人员寻找具有强自旋轨道耦合且可能超过STO 的氧化物。由于KTaO3（KTO）自旋带分裂约为STO 的20 倍，因此，KTO 作为一种全新的钙钛矿氧化物进入人们的视野，特别是因为它也具有与STO 相似的晶体结构、晶格参数、电子有效质量和带隙。对KTO 中二维电子气的研究始于2011 年，人们观察到可以通过使用双电层晶体管（electric double-layered transistor，EDLT）技术在KTO 的绝缘晶体表面上诱导超导性[11]，这与STO 完全相同。值得注意的是，早在1982 年就有人提出了在KTO 中观察超导性的可能性[12]。

笔者报道了一种在KTO 发现的全新亚稳态电子气（metastable two-dimensional electron gas，M2DEG）与p 型材料WSe2所构成的异质结在光电存储性能上的研究。使用氩离子束辅助轰击法（Ar+-ion-bombardment assistant，AIBA）[13]制备KTO 表面二维电子气，并且通过对传统KTO 表面二维电子气的退火处理，观察到了具有亚稳态特性的电子气，称之为M2DEG。亚稳态体现在M2DEG 具有两种不同的电子相共存，并能通过人为调控实现相转变。基于这种新型的M2DEG，采用p 型材料WSe2与之构成范德华异质结[14]，由M2DEG 制成的异质结表现出可充电光电导特性。同时光生载流子的消耗也会影响电子气界面的载流子分布，从而引发电子气区域的相转变。

1 样品与实验

利用AIBA 法，在KTaO3衬底上制备二维电子气，轰击电压选择300 V，氩气流速控制在6 sccm，轰击10 min 后在370 K 的温度条件下退火20 min，将KTO 二维电子气转变为亚稳态。图1a 展示了文中实验所用KTO 的XRD（X-ray diffraction，XRD）衍射图，可以清楚地看出该实验使用的KTO 取向为（001）。图1b 展示了轰击前后KTO 的拉曼光谱，可以看出，氩离子束的轰击并不会改变KTO 拉曼峰的位置。

图1 （a）KTO 的XRD 衍射图；（b）轰击前后KTO 的拉曼光谱衍射图；（c）金相显微镜下的WSe2/M2DEG 异质结形貌图；（d）WSe2/M2DEG 异质结的AFM 形貌图

异质结的制备同样基于AIBA 法，在氩离子束轰击前，利用机械剥离法将少层的WSe2转移到KTO 衬底上，通过光刻-磁控溅射的方法在WSe2的一侧镀上金电极。之后进行二次光刻，绘制所需电子气区域（一般为WSe2的另一侧），即可对样品进行AIBA 法的处理，从而制备WSe2/2DEG 异质结。制备完成的异质结金相显微镜视图如图1c 所示。并且利用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）对该样品的表面进行形貌表征（如图1d 所示）。

KTO 具有与STO 相似的钙钛矿结构，它们有着相似的介电常数、晶体结构和晶格参数。同时KTO 有着比STO 更强的自旋-轨道耦合特性。这使KTO 成为下一代电子和自旋电子应用的最佳候选产品之一。与STO 不同，氩离子束轰击处理得到的KTO 二维电子气极易与空气中的氧气接触发生还原反应，从而失效。因此，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为绝缘层，通过匀胶机均匀地在KTO 表面旋涂PMMA 层防止二维电子气氧化失效。

将制备好的样品放入综合物性测量平台（Physical Property Measurement System，PPMS）腔体内，PPMS 能够为测试提供10 K 的低温以及稳定的气体环境，保证在测试的过程中，样品不会受到外界环境的干扰。

2 结果与讨论

制备好的WSe2/M2DEG 异质结在10 K 的低温下测量不同波长的激光照射后异质结的I-V 循环曲线。图2a 显示了样品在经过不同波长的激光照射后，在黑暗环境下施加偏置电压进行载流子消耗的单次I-V 曲线，可以看出，该样品存在可充电光电导效应，即经过激光照射后，通过施加偏压的手段可以使光生载流子流过结界面。图2a 同时也显示了该样品对532 nm 波长的单色光吸收最好，对405 nm 波长以及447 nm 波长的单色光吸收性能其次，接着是785 nm 波长与808 nm 波长的单色光，而对655 nm 波长的单色光吸收最差。研究发现在这个532 nm 波长的单色光照明下，偏置电压能激发出更大的光电流。因此，接下来将主要以532 nm 的单色光作为测试条件。

图2 （a）不同光波长下WSe2/KTO 异质结的I-V 放电图；（b）532 nm 光波条件下不同电压速率对I-V 的影响

图2b 显示了532 nm 波长单色光照明后，黑暗环境下不同偏压速率对光电流的影响。当施加偏置电压的步长为0.5 V·s-1时，10 V 的偏置电压能激发出大约0.8 mA 的光电流，随着偏置电压步长的逐渐减小，10 V 的偏置电压所能激发的光电流大小呈单调递减趋势。当偏置电压步长减小至0.002 V·s-1时，10 V 的偏置电压仅能激发大约0.4 mA 的光电流，约为0.5 V·s-1的一半。通过实验数据可以看出，大偏压速率能更好地激发光电流，这与一般光电导不同。对于可充电光电导，偏压速率越大，电子空穴对的复合也越快，因此，能更快地释放光生载流子，从而导致光电流的显著增加。

为了进一步研究光电流对亚稳态电子气的影响，在单次单色光照明后，黑暗环境下对样品进行多次不同范围的I-V 放电测试，并且在每次光电流释放后，对KTO 电子气进行I-V 测试，观察亚稳态电子气的伏安特性变化。为了不损坏器件，测试范围选择在10 V 以内。图3a 显示了单次光照明后多次光电流释放的I-V 曲线，在一个低电压范围内的电子空穴对被完全消耗完后，可以通过一个更高的偏压激发出更大的光电流。这一发现说明了光生载流子的分布与电压范围有关，更大的电压范围下可能会存在更多的载流子。

图3 （a）一次光充能后进行多次放电的I-V 曲线；（b）每次放电后亚稳态电子气的电阻I-V 线性关系

光生载流子往往存在于p-n 结交界面区域的两侧，由电子-空穴对为主导。当偏置电压施加在p-n 结两侧时，能促进电子-空穴对复合，消耗光生载流子。这种对载流子的消耗作用往往不会影响p 型材料和n 型材料的电导率，但是对于亚稳态电子气，情况却是完全不一样。图3b 展示了光电流的释放对M2DEG 的影响，当器件受到单色光照明后，在黑暗环境下不对其施加偏置电压，M2DEG 区域呈现很好的线性关系，说明该区域内的载流子分布十分均匀。随着偏置电压施加在异质结两端，光电流被释放，此时M2DEG 区域内载流子分布也随之发生变化，失去了原有的线性关系，并且电导率也产生巨大变化，表现为下降趋势。随着偏置电压增加至10 V，M2DEG 区域内的金属相载流子被逐渐消耗，最后表现为M2DEG 区域绝缘。该实验说明了通过施加偏置电压对异质结的载流子消耗，会破坏M2DEG 区域内原有的I-V 线性关系，直至电子气区域呈现绝缘。

3 结语

AIBA 法制备的KTO 电子气，经过高温退火后，表现出亚稳态的特征。基于这种亚稳态电子气制成的范德华异质结，表现出可充电光电导的特性，并且可以通过调节偏压速率，改变电子空穴对的复合趋势，从而改变光电流的大小。而光电流的释放也会影响电子气界面的载流子分布状态，改变其原有的线性I-V 关系，使电子气界面产生相转变。文中讲述了WSe2/M2DEG 的光电导特性，研究了M2DEG 界面的载流子损耗与异质结光电流的依赖关系，为M2DEG 的研究提供了一个新的视点。