基于ZnO的四方与六方相耦合的界面结构和取向行为研究

Combining the materials with different properties becomes a common tool for exploring novel devices. Nonetheless, it is inevitable to induce the coupling between different structures, such as cubic and hexagonal phase. This coupling and controlling for such type interfaces is far less mature than that of the coherent interface. The reason is that understanding for the behavior of this coupling is still unclear, especially for the interface structures and orientation behaviors. In order to investigate these mechanisms, we fabricate the coupling among four typical oxides with cubic structure and ZnO with hexagonal structures to deeply study the interface structures and orientation behaviors of this coupling. This project firstly plans to prepare ZnO films on the four typical oxides substrate and the four oxide films on the ZnO substrates through using the pulsed laser deposition. Secondly, we use XRD, TEM, AFM, etc, methods to characterize the interfacial structures and morphologies, etc, as well as provide structure models for the calculations. Thirdly, we calculate the interface energy, interaction energy between cluster and substrate, etc, using the density functional theory based on these models. Lastly, combing the experiment and calculation results, we discuss the mechanisms of interface structures and orientation behaviors. This work will add a new connotation for the disciplinary field about the heterojunction interface structures as well as provide a scientific guidance for the useful tool to explore novel devices through combining different property materials.

开发新型器件的常用手段是将不同性质的材料进行组合。而这些组合难免引入不同相结构之间的耦合，如四方与六方相。但此种界面的耦合和控制远不及晶格匹配界面成熟，其原因起源于对这类界面的耦合行为理解尚浅，尤其是界面结构和取向行为这两方面。据此，我们设计四种典型四方结构的氧化物与氧化锌组合，以此系统深入地研究这类耦合的界面结构和取向行为。本研究首先利用脉冲激光沉积技术，在四方相基底上制备六方相的ZnO薄膜，同时，在ZnO基底上制备上述四种氧化物薄膜。其次，通过XRD、TEM、AFM等手段表征薄膜界面结构和生长形态等，并为计算提供结构模型。再次，采用第一性原理的方法来计算界面能和团簇与衬底的相互作用能等。最后，结合实验和计算结果，阐明这类薄膜的界面结构和取向行为的机理。本项目的研究为异质结界面结构这个学科领域增加了新的内涵，同时为不同性质材料组合这一器件开发手段提供一定的科学指导。

当前，将不同相结构和性质的材料组合成一种人工设计的材料，已成为新型器件开发的有效策略。但不同相结构组合时，界面结构往往极其复杂，导致界面和制备的材料结构很难控制。针对这一难题，我们系统地研究了典型的四方结构MgO，SrTiO3，TiO2等与典型的六方相结构的ZnO和Al2O3之间组合的界面结构和薄膜结构。其结果如下：（1）在001面的MgO衬底上，外延的ZnO薄膜呈现出c面和m面两种取向，这两种取向受生长气压和温度调控，且这两种取向的薄膜伴有两度和四度旋转；第一性原理计算证明O的终止面的界面能低于Zn的终止面的界面能，界面关系是由界面能决定的, 并且ZnO团簇与MgO之间的相互作用能与旋转角度关系函数类似一个抛物线。（2）在011的MgO衬底上，ZnO薄膜沿着MgO的[010]晶列方向呈现出大约31°倾斜性生长，且界面呈现出如下的复杂结构：±1.66-tilited {013}(10)*[110]ZnO-Ⅰ//(011)[100][01]MgO; ±1.66-tilited {103}(10*[110]ZnO-Ⅱ // (011)[100][01]MgO。（3）在c面，m面和a面三种取向的ZnO衬底上制备ZnxMg1-xO薄膜时，六方相混晶薄膜Mg的固溶度受取向的影响。（4）在0001取向的ZnO衬底上制备SrTiO3薄膜时，薄膜会同时呈现011和111两种取向，这两种取向的薄膜分别表现出3度和2度的旋转，同时存在五种界面关系。原位的光电子能谱、第一性原理计算和I-V谱证明，在这种极性的界面耦合中，由于能带弯曲导致界面呈现n型。（5）同时我们发现，在SrTiO3衬底上制备ZnO薄膜和在ZnO衬底上制备SrTiO3薄膜时取向和界面结构不同，说明了这两材料在相互组合时表现出不对称性。（6）在0001面的Al2O3衬底上制备SrTiO3，TiO2，LaAlO3和BaTiO3四种典型的四方相但晶格常数不同的材料时，发现只有SrTiO3和TiO2薄膜会呈现一定的取向性，而其他两种不能，这说明薄膜和界面结构，除了和适配有关系，还和材料的电负性程度有关系。而插入几纳米的TiO2缓冲层时，LaAlO3和BaTiO3会呈现很强的111取向，这说明了界面作用在薄膜取向规律中表现出关键作用。本项目的研究为以不同结构和性能材料的组合来开发新型功能器件奠定一定的科学基础。