[发明专利]钙钛矿型碱土矾酸盐薄膜铁电异质结构及其制备方法

说明书

本发明公开了钙钛矿型碱土矾酸盐薄膜铁电异质结构及其制备方法，异质结构包含铁电单晶衬底和在衬底上外延生长的钙钛矿型碱土矾酸盐薄膜；制备方法，包括以下步骤：步骤1：选取钙钛矿型碱土矾酸盐陶瓷块体为靶材；步骤2：采用脉冲激光沉积技术，在铁电单晶衬底上沉积一层外延的钙钛矿型碱土矾酸盐薄膜。本发明将碱土钒酸盐薄膜外延生长在铁电单晶衬底上，通过控制纵向施加的直流电场强度，使铁电单晶衬底产生逆压电效应，引入面内压应变，从而实现对碱土矾酸盐薄膜电阻的调控，呈现出电致电阻效应，这对于关联金属材料在新一代电场可调的低功耗非易失性电子器件中的应用具有重要的指导意义。

技术领域

本发明涉及电子元件技术领域，尤其涉及钙钛矿型碱土矾酸盐薄膜铁电异质结构及其制备方法。

背景技术

强关联电子氧化物由于物理自由度(如晶格、自旋、电荷)之间的密切相互作用，呈现出大量有趣的物理现象，如高温超导性、多铁性、金属—绝缘体转变、拓扑反常霍尔效应、压电自旋电子学等。在这些氧化物中，钙钛矿型碱土钒酸盐AVO₃(A＝Ca、Sr、Ba)由于具有强电子关联、Mott转变、高导电性和高光学透明度等奇异的物理性质，可以作为电极材料和透明导体，具有广泛的应用前景，激发了研究人员的研究兴趣。

目前主要通过降低维度和应变工程来调控其电子传输和金属—绝缘体转变。例如，Yoshimatsu【K.Yoshimatsu,et al.,Phys.Rev.Lett.104,147601(2010)】和Gu C.【M.Gu,et al.,Adv.Mater.Interfaces 1,1300126(2014)】等人在厚度分别低于2和17单层的SrVO₃超薄膜中发现了一种维度交叉驱动的Mott绝缘状态。Mirjolet等人【M.Mirjolet,et al.,Adv.Sci.8,2004207(2021)】发现，在SrTiO₃衬底上面内拉伸的70nm厚SrVO₃薄膜具有150至210m拉伸的,的高电阻率，这主要归因于大的拉伸失配引起的平面缺陷。特别的是，Wang等人【C.Wang,et al.,Phys.Rev.Materials 3,115001(2019)】在50nm厚的SrVO₃薄膜中注入氦离子以诱导应变掺杂，从而独立地增大面外晶格常数，并观察到金属—绝缘体转变的出现。需要注意的是，除了异质外延应变和应变掺杂外，在沉积过程中，容易在薄膜中引入氧缺陷，并且产生的无序能够将原始金属态驱动至绝缘态【G.Wang,et al.,Phys.Rev.B 100,155114(2019)】。为了获得本征晶格应变对电学性能的影响，Xu等人【R.Xu,et al.,ACS Appl.Mater.Interfaces 12,16462-16468(2020)】在柔性云母衬底上外延生长SrVO₃薄膜，通过机械弯曲原位施加了面内单轴应变，发现无论在压缩或拉伸应变作用下，薄膜电阻率都会增加。与单轴应变相比，双轴应变会产生更大的晶格敏感的物理参数调控，并且在实验上可以通过向底层铁电衬底施加电场，原位动态地引入到功能薄膜中。应变工程(包括弯曲产生的单轴应变和电场产生的双轴应变)已被证明是操纵薄膜材料有序参数的一种很有前途的策略，这也开辟了一个被称为“应变电子学”的新兴研究领域。尽管人们一直致力于通过外延应变、应变掺杂和单轴应变来调节碱土钒酸盐薄膜的物理性质，但电场产生的双轴应变对电输运的调控仍然鲜有报道，莫特转变的起源也存在争议。

因此系统研究电触发铁电单晶衬底的逆压电效应对碱土钒酸盐薄膜晶格畸变、电阻率和金属—绝缘体转变的影响，实现线性电致电阻效应，有助于揭示应变电子学物理，以及设计低功耗应变可调谐电子器件。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有技术中主要通过降低维度和应变工程来调控其电子传输和金属—绝缘体转变的问题，而提出的钙钛矿型碱土矾酸盐薄膜铁电异质结构及其制备方法。

2.技术方案

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：