利用同步辐射光电子能谱原位研究NiO-ZnO的界面电子态结构

The study of interface coupling between metal oxides including their interfacial atomic reconstruction and electronic reconstruction is important for physics theories as well as for technical applications. This project proposes to grow NiO thin films using molecular beam epitaxy on different surfaces of ZnO substrates in the photoemission station of Beijing Synchrotron Radiation Facility and uses their in-situ equipments to capture the photoemission of NiO layer by layer. The NiO-ZnO interfacial electronic states are them expected to be revealed by combining the photoemission models. The grown NiO will also be examined by spin-resolved photoemission for their “half-metallic” properties. This project aims to enrich the interface physics between metal oxides, to provide theoretical guide for spintronics based on semiconductors and to further develop the techniques of detecting the buried interfacial electronic states by surface-sensitive photoemission.

研究氧化物与氧化物之间的界面原子重构和电子重构等界面耦合行为具有很大的物理意义和应用前景。本项目拟利用北京同步辐射装置的光电子能谱实验站的原位生长和表征设备，在半导体ZnO的不同表面衬底上分子束外延生长NiO薄膜，并通过原位地、逐层地表征光电子能谱以及相关的能谱数学模型反演获得ZnO-NiO界面的电子态结构；通过自旋分辨的光电子能谱对所生长的NiO薄膜进行半金属特性的研究。该项目的开展丰富有望氧化物与氧化物之间的界面物理理论，为半导体自旋电子器件设计提供指南，并进一步拓展和完善基于表面光电子能谱探测界面电子态结构的技术方法。

现代微电子器件的制备往往涉及多种功能氧化物的集成问题，而其界面电子态是影响器件性能的关键所在。本项目利用大科学装置-北京同步辐射装置的光电子能谱线站的集成分子束外延系统研究了NiO-ZnO的界面耦合行为，在具有六方纤锌矿结构的半导体氧化锌衬底上外延生长出立方的NiO薄膜，并原位采集了所生长的NiO 薄膜的X射线吸收谱和光电子能谱，从而研究了NiO 薄膜的导带和价带结构随着薄膜厚度的演变过程。X射线衍射结果发现，六方ZnO衬底上生长的立方NiO 薄膜呈现三种旋转畴域，与理论预测相符；高分辨的透射电镜图显示了六方衬底过渡到立方薄膜的原子排列。结合实验和模拟的ZnO衬底以及随厚度变化的NiO紫外光电子能谱，反演推导出NiO-ZnO的界面电子态结构。. 本项目的研究结果可为 n 型ZnO 和 p 型 NiO的界面集成提供参考，从而应用于相关微电子器件的制备；可为六方ZnO与其他具有立方结构的多功能氧化物的界面耦合提供指南，从而拓展 ZnO 在多个领域的应用。本项目所运用的基于表面光电子能谱技术反演推导出隐埋界面电子态的方法有望推广应用于其他功能氧化物界面，以便更深入地研究影响器件性能的界面物理问题。