过渡金属氧化物的分子束外延生长及自旋场效应管的研究

过渡金属氧化物种类繁多，具有非常丰富的电子结构和物理化学性质。自旋过渡金属氧化物涉及到电子强关联和多体等许多凝聚态物理的基本问题，包含多种相互作用，是当前最活跃的前沿领域之一，特别是近几年取得了许多重要进展。我们使用德国RF-Plasma-MBE设备外延生长过渡金属氧化物，在原子尺度上操纵生长出新的功能材料.利用许多先进的测试手段对材料进行表征，以密度泛函理论和分子轨道法理论指导，开展材料物理性质的研究.这些人工微结构材料有具有丰富多彩的新性质,研究光效应对电子强关联体系中的凝聚态物理基本问题，研究外延生长的尺寸效应、磁性拉曼散射光谱、磁光克尔效应、反常霍尔效应等性质，研究氧化物界面的反常物理现象。原创出光电磁机能集成的功能氧化物材料,利用我们原来很好制备场效应管的基础，研究铁磁半金属/半导体、稀磁半导体/半导体等异质结的自旋注入等基础问题，制备出原理型室温自旋场效应管器件。

过渡金属氧化物是实现自旋电子器件的材料基础。借助这种材料可以实现电子自旋的注入、控制和输运。特别是具有室温铁磁性的宽禁带稀磁性氧化物体系，借助这些氧化物材料可以实现室温下的自旋过滤作用，将使自旋电子器件的实现实用化，成为自旋电子学领域的研究热点。超高真空分子束外延设备生长Mn:Ti02薄膜可以有效的避免铁磁性杂质相或是沉淀物; 另外由于所制备的薄膜结构单一、成分纯度高，能探究其铁磁性的真正来源。 我们用分子束外延生长出高质量的Mn:TiO2薄膜， 并揭示实验观察到的样品磁性的起因。发现结晶质量差的Mn:TiO2薄膜表现为室温铁磁性，而结晶质量相对完美的表现顺磁性，我们把这种差别归因于Mn:TiO2薄膜中氧空位浓度不同造成的。使用等离子体源辅助的分子束外延设备在LaAlO3(LAO) 衬底上成功制备出P型Mn:TiO2稀磁半导体薄膜。 拉曼、XRD以及XPS测试表明制备的P型Mn:TiO2薄膜稀磁半导体薄膜具有单相结构，Mn成功掺入到TiO2晶格中。通过Hall效应测量证明Mn:TiO2薄膜是P型电导的。制备了阻变存储器件，发现所制备的Pt/Cu2O/CuO/Nb：SrTiO3/Pt器件其高、低阻值之比达105，通过器件的电流也非常小、可进行反复多次的读、写、擦除操作。发现不同大小的set电压可将器件设置成多个不同的导电状态，可实现多级存储，提高存储密度。这一阻变存储特性可归因为氧空位在CuO/ Nb：SrTiO3异质结的界面扮演了载流子俘获陷阱的角色。在set电压的作用下，载流子被氧空位囚禁，CuO/ Nb：SrTiO3异质结的耗尽层变窄，对应着器件的高导电状态，不同大小set电压对应着不同的耗尽层宽度；当给器件施加reset电压时，载流子在reset电压的帮助下从陷阱中逃逸出来，使得耗尽层变宽，器件处于近绝缘状态。对比单层膜结构的Pt/ CuO/Nb：SrTiO3/Pt器件，进一步证实氧空位所起到作用。氧空位在氧化物体系中起到了非常重要的作用。在研究中发现不仅发现TiO2薄膜表现出明显的多级存储效应，还表现出了电致电容的特性。而且其电容的变化对器件的历史活动有一定的依赖性，可以说具有“忆容”的特性。在研究器件的电容特性的同时，还发现其具有负电容的性质,负微分电阻现象也是个有趣的现象,为一些需要高电容的体系提供了可行的途径。