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1、光与新型氧化物材料的相互作用及其应用3郝 建 华?华中科技大学光电子工程系 武汉 ?摘 要 文章概述了光与几种新型氧化物材料相互作用研究现状!应用和将来可能的发展方向?这些新型氧化物包括高温氧化物超导体!巨磁电阻材料和铁电体?介绍了光激发状态下氧化物的输运特性!电磁特性的变化规律?报道了近年来主要的实验方法和研究结果?总结了光与氧化物相互作用时有关光响应和光激发的可能机制?讨论了现有实验结果的潜在应用?指出了将来在材料工程!光电器件!信息技术等方面应用的研究方向?关键词 钙钛矿氧化物?光激发?机理?应用 ? ? ? ? ? 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
2、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
3、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
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5、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?3 国家自然科学基金?批准号? ?资助项目? ? ? ? ?收到初稿? ? ? ? ? ?修回? 引言近十几年来?国际凝聚态物理与材料研究领域出现了许多重要成果?其中最引人注目的是与钙钛矿结构相关的氧化物材料的重大进展?例如?众所周知的? ? ? ? ? ?和? ? ? ?发现氧化物高温超导荣获诺贝尔物理奖?引发了一场席卷全球的/超导热0?年? ? ? ?等人?在? ?1?1?薄膜中观察到磁场下样品电阻率急剧下降?即具有很大的磁电阻效应?随之很多研究者在其他氧化物中发现类似性质?) ?由于效应非常大?而称之为? ? ? ? ? ? ?
6、 ? ? ? 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?中文译名为巨磁电阻?这引起了人们极大兴趣?成为当前非常热门的研究问题?另外?与高温超导和巨磁电阻材料同属钙钛矿氧化物的许多介电!铁电材料近十年来也取得一些新进展?这些氧化物材料的新发现不仅在物理学!材料科学!化学和微电子学等众多学科领域带来许多新的研究方向?并且在现代科学技术中也具有重要的应用前景?目前这类材料的研究和应用是科技界最活跃的前沿领域之一?对于这些新型氧化物材料?人们几乎采用了所有微观分析!衍射技术!图像分析等手段进行深入分析?实验研究上通过传统的化学掺杂!外加等静压观测样品在电场!磁场下?材料的晶体结构!能
7、带结构和电磁特性等?由此提出不少理论模型?并探讨材料的实际应用?除此之外?光激发和光响应是通过研究光与材料相互作用产生现象的实验手段?由此可分析和改变材料的性质?众所周知?传统的半导体材料可以通过光照改变其载流子浓度?这也是许多半导体光电器件的基本原理?所以光激发可以看作是所谓的/光掺杂0? ? ? ? ? ? ? ? ? ?它不需要繁杂地改变材料的化学组分和晶体结构就可以改变材料的载流子浓度?如果采用脉冲激光作用材料?材料的载流子浓#?#物理度可以按瞬态变化方式改变?本文将分别按光与高温超导!巨磁电阻和铁电材料相互作用作概括性介绍?并从新的角度研究这些氧化物材料的性质?这将有助于进一步启发人
8、们去认识和研制新型微电子!光电子器件? 光与高温超导材料211 光激发实验 大家知道?高温超导体? ?的 电阻性质随着氧含量? ?的变化可以从介电性到金属性大范围变化?如图?所示的?的晶体结构?包括了对超导性质起关键作用的 ?面?图中显示 ?层的氧位未完全充满?通过加入外界氧原子或者吸收光子可以发生电荷转移?图? ? ? 晶体结构?层氧位未完全占满?图中表明由于外来氧原子或吸收光子而发生电荷转移?目前有两类不同时间域的光与高温超导材料相互作用的实验报道?其一是等人? ?在氧化 物超导体发现不久?采用快脉冲激光? ?1? ? ?每单脉冲的光子密度较低? ?) ?光子 ? ? ?选 用样品为?单晶
9、?采用这种实验手段得到的实验结果为瞬变光电导性质?即在较短时间脉冲域?的电导率有几个到十几个数量级瞬变?表明 脉冲激光作用于?后可产生光致过剩载流子?类似实验以后在?薄膜和其他材料如? ? ?上也得到证实?对不同材料体系和样品类型?光生载流子寿命有差别? ?光生载流子寿命大约在? )?范围? 另一类实验方法是采用连续激光或其他类型光源?如汞灯?长时间照射样品?其光子密度较高? ?) ?光子 ? ? ?采用此实验手段?等材料的超导转变等性质将发生变化?并可持续几天后才回复到光照前的性质?所以与前面的瞬态光导相比?常称这种为持续性光电导和光致超导性?即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
10、 ? ? ? ? ? ? ? ? ?和? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?212 光掺杂()作用影响 以上两种实验手段都是通过光子的引入而改变材料的性质?所以与化学掺杂相对比?人们将其称为光掺杂?首先?光掺杂可改变超导转变性质?图?给出了三种具有不同氧含量的?薄膜在光照前和光照后超导转变温区的变化情况?图?表明?无论何种样品?光照后样品的阻温曲线都向高温方向平行移动?样品的电阻率与光照前相比有所降低?而超导转变温度提高?除了以上电阻率变化外?进一步研究发现样品的霍尔系数在光照后也发生变化?这说明光照后样图? 三种不同氧含量的?的样品在光照前和光
11、照后阻温特性变化?曲线为光照后?曲线为光照前?#?#?卷?年? ?期品的载流子浓度产生变化?有研究者发现?光照后?样品的结构也产生变化?这种变化类似于?中增加氧掺杂?另外?光照后对样品的磁性!? ? ? ? ? ? ? ?结都可能产生影响?最近? ? ? ? ? ? ? ?等 人? ?采用白光对?样品进行光掺杂?在? )?温度范围内测量薄膜平面平行方向电阻率和 垂直方向电阻率?发现两者比值随温度变化而变化?说明光掺杂的电导率是各向异性的?光掺杂作用产生的影响都会在一定时间段内消除?样品将恢复到光照前的状态?即弛豫效应?弛豫时间与样品接受的光照剂量有关?更重要的是取决于停止光照后样品所置的温度?
12、图?示出了在不同温度下?样品随时间变化的弛豫过程?图?说明?随温度的升高?弛豫时间降低?光导率的变化?满足? ? ? ?关系?这里为耗散参数 ? ? ? ?弛豫时间显然是随温度变化而异的?图? 光致过剩载流子导电率?在几种温度下的弛豫过程213 光掺杂机理众多实验现象表明?氧化物超导材料中的光掺杂现象与材料中氧行为改变相关联?通过进一步研究输运性质与光掺杂量!氧空位数!光谱分析等关系?各国学者提出了几种理论模型解释高温超导持续性光电导和光致超导电性现象?如?的氧有序化?光致电荷转移机理和光致扩散机理?这些机理可用来分析高温超导薄膜和? ? ? ? ? ? ? ?结的光掺杂效应?有兴趣的读者可参
13、阅文献?和? ?目前为大家一般接受的物理图像是基于 2?链层的氧空位对电子俘获?在光掺杂实验中?入射光子产生电子?空穴对? ?链层的氧空穴可看作是光激发电子的陷阱?可将电子俘获?如图?所示?俘获的电子产生晶格畸变?形成空穴复合的能量势垒?结果空穴转移到 ?面层?导致载流子数增加而电导率提高?显然上面介绍的两种时间域的光掺杂实验?脉冲激光和连续光照的不同实验结果表明?对于这两种光致激发可能具有不同的陷阱机理?图? ?在面的结构示意图 ?和?分别为? ?链的铜!氧原子?是链和面间的氧? ? ?和?为 ?面的原子位置?注意在哑铃? ? ? ? ?的? ?原子两边有氧空位? 光与巨磁电阻材料对于稀土锰氧化物? ? 为稀土元素?具有天然钙钛矿晶体结构?当? 被二价碱土金属元素部分替代后?形成掺杂稀土锰氧化物?例如? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?这类氧化物具有铁磁性和金属性电导? ?世纪?年代?人们发现该体系具有很大的磁电阻效应?即?效应?并揭示出与传统的磁性物质有较大差别的输运特性!相变性质和磁学性质?到目前为止?产生?的原因以及磁性和导电机制的转变机制仍不清楚?众多研究者在实验上采用多样掺杂和外加等静压方法? ?研究?的各种性质?研究结果表明?氧含量!晶格畸变和磁)晶格耦合等相关联因素对?系列性质有相当大 的影响?
