(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機(jī)理

朱暉文姜平王順利毛凌峰唐為華?

1)(浙江理工大學(xué)物理系，光電材料與器件中心，杭州310018)

2)(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，蘇州215021)

(2010年2月24日收到;2010年3月22日收到修改稿)

(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機(jī)理

朱暉文1)姜平1)王順利1)毛凌峰2)唐為華1)?

1)(浙江理工大學(xué)物理系，光電材料與器件中心，杭州310018)

2)(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，蘇州215021)

(2010年2月24日收到;2010年3月22日收到修改稿)

利用射頻磁控濺射的方法在SrTiO3(001)基片上制備了(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu).對(duì)所制備的超晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了50—150℃溫度范圍內(nèi)的電流-電壓測(cè)試分析.結(jié)果表明，隨著B(niǎo)iFeO3薄膜的厚度減小，溫度的升高，(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)的電流變大.進(jìn)一步根據(jù)介質(zhì)導(dǎo)電模型對(duì)(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電特性做了分析.在溫度較低或者電場(chǎng)較弱時(shí)，所制備的(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為歐姆導(dǎo)電，而在高溫，高電場(chǎng)的情況下，其導(dǎo)電行為由空間電荷限制電流機(jī)理主導(dǎo).

超晶格薄膜，多鐵，空間電荷限制電流

PACC:7300，7780，7220

1. 引言

多鐵性材料不但具備各種單一的鐵性(如鐵電性、鐵磁性)，而且通過(guò)鐵性的耦合作用而具有一些新的復(fù)合效應(yīng)，使其在信息儲(chǔ)存、自旋電子器件方面，磁傳感器以及電容-電感一體化器件方面都有極其重要的應(yīng)用前景［1—3］.但是目前發(fā)現(xiàn)的多鐵材料大多居里溫度較低，而B(niǎo)iFeO3(BFO)是少數(shù)室溫下同時(shí)具有鐵電性和反鐵磁性的材料之一，其在室溫下同時(shí)具有兩種結(jié)構(gòu)有序，鐵電有序(TC=1103 K)和G型反鐵磁有序(TN=643 K)［4］，因而被廣泛研究.已有關(guān)于BiFeO3存儲(chǔ)器應(yīng)用等方面的報(bào)道［5］.

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)稀土摻雜錳氧化物R1－xAxMnO3(R =La，Pr，Nd;A=Ca，Sr，Ba)因其獨(dú)特的電、磁及結(jié)構(gòu)相變特性而受到科學(xué)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注.這類(lèi)錳氧化物在各種記錄裝置、傳感器、紅外探測(cè)器中均有著廣泛的應(yīng)用前景［6，7］.我們以前的工作表明，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)相似，可以制備出BiFeO3晶體結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)稀土摻雜錳氧化物外延異質(zhì)結(jié)器件［8］.在此基礎(chǔ)上研究鐵磁/反鐵磁/鐵磁(FM/ AFM/FM)三明治結(jié)構(gòu)的隧道磁阻和隧道電阻［9—11］，及其磁電耦合作用具有重要的理論和實(shí)際意義.

然而，眾所周知BiFeO3有很大的漏電問(wèn)題，這也限制了其多方面的實(shí)際應(yīng)用［12—14］.理論研究表明，BiFeO3的帶隙寬度為2.8 eV［15］，因而漏電不是其本征特性，應(yīng)該是薄膜制備過(guò)程中的缺陷，非化學(xué)計(jì)量比等因素造成的.可以通過(guò)化學(xué)摻雜的方式來(lái)減小其漏電.另外，Ranjith等人［16］研究了BiFeO3/ SrTiO3超晶格，發(fā)現(xiàn)其漏電也有很大程度的改善.據(jù)我們所知，目前國(guó)際上還沒(méi)有關(guān)于(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)研究的報(bào)道.在對(duì)(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步研究前有必要對(duì)其導(dǎo)電機(jī)理做深入的探討.

本文在以前制備(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)工作的基礎(chǔ)上［8］，采用高純La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)靶和BiFeO3(BFO)靶通過(guò)射頻磁控濺射方法在SrTiO3(001)單晶襯底上制備出(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)，測(cè)試在不同溫度下的電流-電壓曲線(xiàn)，研究(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電機(jī)理.

2. 實(shí)驗(yàn)

采用合肥科晶公司制造的高純La0.7Sr0.3MnO3靶和BiFeO3靶通過(guò)磁控濺射方法，在5mm×10mm大小的SrTiO3(001)(STO)單晶襯底上沉積單層La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜，厚度33nm，然后用硅片遮住一半La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜區(qū)域.接著沉積相同周期厚度(40nm)，不同LSMO和BFO厚度的兩種超晶格結(jié)構(gòu)(均為10個(gè)周期)，1) 20nm(LSMO)，20nm(BFO)，稱(chēng)為L(zhǎng)20;2)24nm (LSMO)，16nm(BFO)，稱(chēng)為L(zhǎng)24.頂層再沉積單層La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜，厚度也為33nm.實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)參見(jiàn)以前的工作［8］.最后在底層LSMO(被硅片遮住部分)和頂層LSMO上涂銀導(dǎo)電膠做電極接觸以進(jìn)行電學(xué)測(cè)量.電流-電壓測(cè)試在Keithley 4200上進(jìn)行.

3. 結(jié)果及討論

3.1. 電流-電壓特性

圖1所示是測(cè)得的L20和L24樣品的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn).隨著溫度的上升，兩種樣品的電流均變大.

圖1 L20和L24樣品的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn)(a)在50，100，150℃下L20樣品的電流-電壓曲線(xiàn)，隨著溫度的升高，電流增大;(b)在50，100，150℃下L24樣品的電流-電壓曲線(xiàn)，隨著溫度的升高，電流也隨之增大

超晶格結(jié)構(gòu)的電阻可以等效成由若干個(gè)LSMO子層和BFO子層電阻組成的串聯(lián)電路，其總電阻可以用如下公式表示

其中n為薄膜子層層數(shù)，L表示薄膜子層厚度，S表示電極面積，ρL和ρB分別表示LSMO子層和BFO子層的電阻率.ρL和ρB都隨著溫度的升高而降低［8］，因此，L20和L24樣品的總電阻也隨之變小.這樣在一定的外加偏壓下，其電流也隨著溫度的升高而變大.

對(duì)比L20和L24樣品的電流-電壓關(guān)系曲線(xiàn)可以看到L20樣品的電流比L24樣品的電流小(參見(jiàn)圖2).由前述公式可知，L20和L24樣品的總電阻之差為

而(LL24－LL20)=－(LB24－LB20)，這樣，ρL<ρB就導(dǎo)致L20樣品的總電阻大于L24樣品的總電阻，因而其電流較小.

圖2 在50，100，150℃下L20樣品和L24樣品的電流-電壓的對(duì)比，L24樣品的電流比同樣溫度下的L20樣品的電流大

另外，也可以這樣來(lái)理解這兩個(gè)樣品的電流差別.在高于290K的時(shí)候，La0.7Sr0.3MnO3表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體特性［8］，這樣在BFO兩邊均是導(dǎo)電材料，而La0.7Sr0.3MnO3和BFO之間是靠隧穿效應(yīng)進(jìn)行傳輸［10］.BFO越厚，隧穿越難，從而B(niǎo)FO較厚的L20樣品的電流比L20樣品的電流小.

進(jìn)一步比較L20和L24樣品的正、反向偏壓的電流-電壓關(guān)系可以看到，其反向的電流大于正向的電流，對(duì)于L24樣品來(lái)說(shuō)，這種差別更加明顯(參見(jiàn)圖3).如前所述，在高于290K時(shí)，La0.7Sr0.3MnO3表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體的特性，這樣，在其與銀電極之間就形成一個(gè)金屬-半導(dǎo)體接觸(參見(jiàn)圖4，其中參數(shù)取自文獻(xiàn)［15，17，18］等)，在頂電極加負(fù)的偏壓時(shí)，流經(jīng)兩個(gè)樣品的電流相應(yīng)較大，而在頂電極加正的偏壓時(shí)電流較小，這兩個(gè)超晶格結(jié)構(gòu)樣品表現(xiàn)出整流特性.對(duì)于BFO較薄的L24樣品，因?yàn)樗泶╇y度較小，從而其正、反向的電流差別更明顯.但是，兩個(gè)樣品的整流特性都比較弱.另外，此正、負(fù)偏壓導(dǎo)致的電流差別還受La0.7Sr0.3MnO3與BFO之間兩個(gè)p-n結(jié)的影響，最后所得到的L20和L24樣品的電流-電壓關(guān)系是熱電子、隧穿等多種效應(yīng)的綜合表現(xiàn).

3.2. 導(dǎo)電機(jī)理分析

圖3 (a)L20樣品在溫度為50，100，150℃時(shí)，正、負(fù)偏壓下電流-電壓的對(duì)比;(b)L24樣品在溫度為50，100，150℃時(shí)，正、負(fù)偏壓下電流-電壓的對(duì)比.F為頂電極相對(duì)底電極加正偏壓;R為頂電極相對(duì)底電極加負(fù)偏壓

圖4 Ag與LSMO形成金屬-半導(dǎo)體接觸的示意圖.無(wú)外偏壓情形，未按比例，圖中各符號(hào)取通常意義.Ag的功函數(shù)為4.88 eV，LSMO的帶隙大小為1 eV，電子親和能為3.95 eV，其形成的勢(shì)壘高度qΦBn=0.07 eV

鐵電薄膜的漏電分析對(duì)鐵電薄膜的應(yīng)用相當(dāng)重要，也已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史.絕緣薄膜的導(dǎo)電機(jī)理主要有三種:肖特基機(jī)理(Schottky)［19］、普爾-富蘭克林機(jī)理(Poole-Frenkel)和空間電荷限制電流機(jī)理(space-charge-limited current)［20，21］.其中，肖特基機(jī)理是由于材料與電極界面勢(shì)壘形成而導(dǎo)致的界面現(xiàn)象.而另外兩種都起因于材料的體內(nèi)［22，23］.在空間電荷限制電流機(jī)理中，電流-電壓曲線(xiàn)可以分為三個(gè)階段，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度E較小時(shí)，它們受Ohm’s law的限制，I∝J∝E，此時(shí)的導(dǎo)電主要由熱電子所引起;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度E為中等強(qiáng)度時(shí)它們受trap filled limit的限制，I∝J∝Eα(α為正數(shù))，此時(shí)的電流-電壓曲線(xiàn)上會(huì)有一個(gè)電流的陡峭上升;而當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度E更高時(shí)它們受Child’s law的限制，I∝J∝E2［24，25］.L24和L20樣品的lnI-lnV曲線(xiàn)示于圖5中.對(duì)于L24樣品，在所加電壓較大時(shí)，對(duì)不同溫度所測(cè)的電流-電壓數(shù)據(jù)擬合，其指數(shù)α均大于1但是小于2.這是受空間電荷限制電流機(jī)理主導(dǎo)的行為.而L20樣品中的導(dǎo)電機(jī)理比較復(fù)雜.在150℃時(shí)，其指數(shù)α比1略大，也是受空間電荷限制電流機(jī)理主導(dǎo)的行為.在100℃時(shí)，其指數(shù)α近似于1，是歐姆導(dǎo)電行為.而在更低的50℃時(shí)，在中等及較大的電壓范圍內(nèi)，是歐姆導(dǎo)電.可以簡(jiǎn)單比較一下本文的樣品和Ranjith等人關(guān)于BiFeO3/SrTiO3的工作［16］.SrTiO3的帶隙大小為3.2 eV，而La0.7Sr0.3MnO3帶隙大小約為1 eV，因而B(niǎo)iFeO3/SrTiO3的漏電流相對(duì)較小，這也是可以預(yù)期的.

圖5 (a)L24樣品在50，100，150℃下的lnI-lnV散點(diǎn)圖，直線(xiàn)為線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)三個(gè)溫度下的斜率分別為1.26，1.25和1.17;(b)L20樣品在100，150℃下的lnI-lnV散點(diǎn)圖，直線(xiàn)為線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)兩個(gè)溫度下的斜率分別為1.05和1.16;(c)L20樣品在50℃下的電流-電壓散點(diǎn)圖，直線(xiàn)為線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)

4. 結(jié)論

利用射頻磁控濺射的方法在SrTiO3(001)基片上制備了(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu).對(duì)所制備的超晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了50—150℃溫度范圍內(nèi)的電流-電壓測(cè)試分析.結(jié)果表明，(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n的導(dǎo)電機(jī)理與BFO薄膜的厚度，所加的電壓以及溫度等有關(guān).隨著B(niǎo)FO薄膜的厚度減小，溫度的升高，超晶格樣品的漏電變大.結(jié)合通常的介質(zhì)導(dǎo)電模型對(duì)所測(cè)得的電流-電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看到溫度和電場(chǎng)對(duì)其導(dǎo)電機(jī)理有很大影響.在溫度較低或者電場(chǎng)較弱時(shí)，所制備的(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為歐姆導(dǎo)電，而在高溫，高電場(chǎng)的情況下，其導(dǎo)電行為由空間電荷限制電流機(jī)理主導(dǎo).

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PACC:7300，7780，7220

*Project supported by the Zhejiang Province National Funds for Distinguished Young Research Groups(Grant No.R4090058)

?Corresponding author.E-mail:whtang@zstu.edu.cn

Conduction mechanisms in(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)nsuperlattice

Zhu Hui-Wen1)Jiang Ping1)Wang Shun-Li1)Mao Ling-Feng2)Tang Wei-Hua1)?
1)(Department of physics，Center for Optoelectronics Materials and Devices，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou310018，China)
2)(School of Electronics and Information Engineering，Soochow University，Suzhou215021，China)
(Received 24 February 2010;revised manuscript received 22 March 2010)

(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)nsuperlattices were grown in situ on SrTiO3(001)substrates by rf magnetron sputtering.The current-voltage measurements were performed under the temperature of 50—150℃for the superlattices specimens.The analysis showed that the leakage current increased with increasing the temperature or decreasing the BFO thickness in the samples.And the conduction mechanisms of the prepared(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)nsuperlattices were analyzed according to common insulator conduction models.It exhibited that the space-charge-limited current were dominated in the as fabricated(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)nsuperlattices in high temperature or high electrical field.

superlattice，multiferroicity，space-charge-limited current(SCLC)

book=472,ebook=472

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):50672088)和浙江省自然科學(xué)基金杰出青年研究團(tuán)隊(duì)(批準(zhǔn)號(hào):R4090058)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:whtang@zstu.edu.cn