二维电子气结构的超晶格薄膜制备及其激光感生热电电压效应研究

论文摘要

采用固相法和共沉淀法分别制备出SrTiO3、SrTi0.8Nb0.2O3和LaAlO3多晶靶材,并用XRD对其进行了分析。利用脉冲激光沉积（PLD）技术,首先摸索出在LaAlO3衬底上生长SrTi0.8Nb0.2O3/LaAlO3（001）单层膜,SrTiO3/SrTi0.8Nb0.2O3/LaAlO3（001）超晶格和LaAlO3/SrTi0.8Nb0.2O3/LaAlO3（001）超晶格薄膜的条件,进而用PLD镀膜技术在倾斜0°和10°的LaAlO3单晶衬底上生长了具有二维电子气结构的系列SrTiO3/SrTi0.8Nb0.2O3/LaAlO3（001）超晶格和LaAlO3/SrTi0.8Nb0.2O3/LaAlO3（001）超晶格以及SrTi0.8Nb0.2O3/LaAlO3（001）单层膜。通过对0°衬底上生长的薄膜进行XRD检测,结果表明所有薄膜均为c取向生长,同时在超晶格样品中观察到周期调制的卫星峰结构,说明所制备的超晶格具有较高的质量,利用超晶格的卫星峰图谱计算出SrTiO3和SrTi0.8Nb0.2O3的沉积速率分别为3.6 （?）/pulse和2.6 （?）/pulse,以及薄膜的厚度。对生长在倾斜衬底上的薄膜进行了激光感生热电电压（LITV）信号测量,在所有这些样品中均首次观察到LITV信号,表明具有二维电子气结构的STO/NSTO/LAO（001）超晶格和LAO/NSTO/LAO（001）超晶格是一种新型原子层热电堆材料。通过对所有样品的LITV信号比较发现：首先所有样品的LITV信号峰值电压都与入射激光能量成正比关系；其次比起具有等效厚度的NSTO/LAO（001）单层膜的LITV信号,STO/NSTO/LAO（001）超晶格和LAO/NSTO/LAO（001）超晶格的LITV信号明显减弱,这和我们预计的不一样；再次就是,当LaAlO3作为超晶格的介电层后的信号比SrTiO3作为超晶格的介电层的信号还要低。我们对这些实验现象进行了分析和讨论,并提出了可能的解释。最后,利用脉冲函数对NSTO/LAO（001）单层膜（2#）和STO/NSTO/LAO（001）超晶格（6#）的LITV信号进行拟合。通过拟合函数方程得到了LITV信号的下降沿时间常数,利用下降沿时间常数和膜厚计算出两个样品的热扩散系数分别为5.65×10-7m2/S和2×10-6m2/S；然后在适当近似的条件下,把热扩散系数、热导率、下降沿时间常数等参量代入LITV变形公式计算出NSTO/LAO（001）单层膜（2#）的各向异性Seebeck系数（Sab-Sc）=14.4μVK-1, STO/NSTO/LAO（001）超晶格（6#）的Seebeck系数（Sab-Sc）=1.9μVK-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统热电材料
• 1.2.1 热电效应
• 1.2.2 传统热电材料研究进展
• 1.3 原子层热电堆材料（ALT）
• 1.4 激光感生热电电压（LITV）效应的发现及研究现状
• 1.4.1 激光感生热电电压（LITV）效应的发现
• 1.4.2 LITV效应的研究现状及意义
• 1.5 本论文的工作及意义
• 第二章 试验设备及方法
• 2.1 靶材制备方法
• 2.2 紫外脉冲激光沉积（PLD）技术
• 2.2.1 PLD技术的发展
• 2.2.2 PLD技术的优势和特点
• 2.2.3 制备超晶格样品的PLD镀膜设备
• 2.3 材料的X射线表征方法
• 2.3.1 X射线基本原理
• 2.3.2 超晶格中的X射线衍射
• 2.4 LITV信号的测量
• 第三章 超晶格薄膜的制备
• 3.1 靶材的制备
• 3.1.1 前言
• 0.8Nb_0.2O₃、SrTiO₃多晶靶材'>3.1.2 固相法制备SrTi_0.8Nb_0.2O₃、SrTiO₃多晶靶材
• 3多晶靶材'>3.1.3 共沉淀法制备LaAlO₃多晶靶材
• 3.2 超晶格薄膜的制备
• 3.2.1 前言
• 3.2.2 制备超晶格的条件摸索
• 3.2.3 制备超晶格的制备
• 3.3 超晶格的精细结构表征
• 第四章 超晶格中的LITV信号研究
• 4.1 前言
• 4.2 STO/NSTO/LAO（001）超晶格中的LITV效应
• 4.2.1 同一周期不同NSTO层厚度的超晶格的LITV效应
• 4.2.2 不同周期的STO/NSTO/LAO（001）超晶格的LITV效应
• 4.3 LITV效应比较
• 4.3.1 单层膜与STO/NSTO/LAO（001）超晶格中的LITV效应比较
• 4.3.2 LAO/NSTO/LAO（001）与STO/NSTO/LAO（001）超晶格的LITV效应比较
• 4.4 超晶格中的各向异性Seebeck系数和热扩散系数的计算
• 4.4.1 NSTO/LAO（001）单层膜的计算
• 4.4.2 STO/NSTO/LAO（001）超晶格的计算
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:硕士期间发表的论文