基于BaSnO3沟道层的钙钛矿型异质结二维电子气室温输运性能研究

Improving the transport properties of two-dimensional electron gas at room temperature remains a grand challenge for perovskite heterostructures. The traditional channel layer of perovskite heterostructures is SrTiO3 whose conduction band minimum (CBM) are comprised of Ti t2g orbits. This research project will replace it with BaSnO3 whose CBM consist of Sn s orbits as the channel layer, which can avoid the electron-phonon coupling and interband transitions from SrTiO3 at room temperature. Moreover, two doping methods named Delta doping with nonpolar pervoskite materials and polar-discontinuity doping with polar pervoskite will be used to introduce carriers into BaSnO3, instead of the traditional impurity atoms doping. Then the electron transport properties of perovskite heterostructures at room temperature can be improved by separating the electron introduction layer and channel layer, and minimize the impurity scattering. The key points of this research lie in: (1) The influence of process parameters on the interface structures, band structures, the electron distributions and transport properties at room temperature. (2) The related physical mechanisms between band structures, electron scattering mechanisms, and transport properties. (3) The design criteria of perovskite heterostructures based on BaSnO3 channel layer with high transport properties at room temperature. The aim of this project is to provide the theoretical basis and development ideas of perovskite heterostructures with high transport properties at room temperature.

提高二维电子气的室温输运性能是钙钛矿型异质结体系当下需要解决的重要问题。本项目拟以Sn s轨道为导带底的BaSnO3材料，替代传统以Ti t2g轨道为导带底的SrTiO3作为异质结沟道层，避免其室温下的电子－声子耦合作用和带间散射作用；同时采用非极性钙钛矿型材料Delta掺杂和极性钙钛矿型材料极性不连续掺杂的方式向BaSnO3沟道层中引入电子，通过空间上分离电子引入层和电子传输层，降低外来掺杂原子导致的杂质离子散射作用，提高钙钛矿型异质结室温电子输运性能。重点探究制备条件对基于BaSnO3沟道层异质结体系的界面结构、能带结构、电子室温分布和输运性能的影响规律，以及能带结构、散射机制和输运性能的相互物理关联机制。初步揭示基于BaSnO3沟道层室温高输运性能钙钛矿型异质结的设计准则，为室温高输运钙钛矿型异质结的开发提供理论依据和发展思路。

钙钛矿型异质结二维电子气因具备块体材料没有的新颖性能而在微纳器件应用方面备受期待。但传统LaAlO3/SrTiO3异质结的相关特性被限制在低温情况下，极大的限制了室温下的应用。为了将钙钛矿型异质结体系更好的应用于室温电子器件，得到室温下高输运性能的二维电子气是当下钙钛矿型异质结体系需要解决的重要课题。本项目提出以Sn s轨道为导带底的BaSnO3材料，替代传统以Ti t2g轨道为导带底的SrTiO3作为异质结沟道层，同时采用非极性钙钛矿型材料掺杂和极性钙钛矿型材料极性不连续掺杂的方式向BaSnO3沟道层中引入电子来提高钙钛矿型异质结室温电子输运性能。最后采用应变调控和掺杂调控筛选合适方法优化界面二维电子气性能。.首先，本项目通过晶格、热和能带匹配筛选出符合要求的上层电子引入层材料，并综合考虑实际材料的合成难度，稳定性和制备价格后，选定极性LaGaO3材料和非极性CaZrO3材料作为上层电子引入层材料。.针对极性LaGaO3/BaSnO3和Delta掺杂CaZrO3/BaSnO3异质结体系，项目探讨了界面二维电子气形成机理，界面结构、能带结构、电子分布和输运性能的联系，结果表明，LaGaO3/BaSnO3异质结源于LaGaO3和BaSnO3的极性不连续，LaGaO3中的电子跃迁进入BaSnO3，在界面形成二维电子气，而且源于本征Sn 5s轨道的高分散性，LaGaO3/BaSnO3异质结界面二维电子气的迁移率较传统LaAlO3/SrTiO3体系更高，但界面电子局域性较差。对于Delta掺杂CaZrO3/BaSnO3异质结体系，Delta掺杂引入电子，形成界面二维电子气，此时界面电子的局域特性和迁移特性取决于掺杂原子类型。 .最后采用应变调控和掺杂调控进一步提高BaSnO3基异质结的界面电子局域性和迁移特性。结果表明拉应变虽然能有效提高LaGaO3/BaSnO3界面电子迁移特性和局域性，但源于Sn 5s轨道本征高分散的特点，其电子局域特性稍差，界面电子较分散。而过渡金属的掺杂改性LaGaO3/BaSnO3异质结研究表明虽然过渡金属能有效局域界面电子，但源于过渡金属本征d轨道高局域的特点，界面电子的迁移特性受到一定阻碍，因此如何有效改性调控，让BaSnO3基异质结的界面电子处于高局域高迁移状态，是后续研究的方向。