(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構的導電機理

朱暉文姜平王順利毛凌峰唐為華?

1)(浙江理工大學物理系，光電材料與器件中心，杭州310018)

2)(蘇州大學電子信息學院，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超晶格結構的導電機理

朱暉文1)姜平1)王順利1)毛凌峰2)唐為華1)?

1)(浙江理工大學物理系，光電材料與器件中心，杭州310018)

2)(蘇州大學電子信息學院，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超晶格結構.對所制備的超晶格結構進行了50—150℃溫度范圍內的電流-電壓測試分析.結果表明，隨著BiFeO3薄膜的厚度減小，溫度的升高，(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構的電流變大.進一步根據介質導電模型對(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構的導電特性做了分析.在溫度較低或者電場較弱時，所制備的(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構表現為歐姆導電，而在高溫，高電場的情況下，其導電行為由空間電荷限制電流機理主導.

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)，而且通過鐵性的耦合作用而具有一些新的復合效應，使其在信息儲存、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用前景［1—3］.但是目前發現的多鐵材料大多居里溫度較低，而BiFeO3(BFO)是少數室溫下同時具有鐵電性和反鐵磁性的材料之一，其在室溫下同時具有兩種結構有序，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.已有關于BiFeO3存儲器應用等方面的報道［5］.

鈣鈦礦結構稀土摻雜錳氧化物R1－xAxMnO3(R =La，Pr，Nd;A=Ca，Sr，Ba)因其獨特的電、磁及結構相變特性而受到科學界與工業界的廣泛關注.這類錳氧化物在各種記錄裝置、傳感器、紅外探測器中均有著廣泛的應用前景［6，7］.我們以前的工作表明，因為其結構相似，可以制備出BiFeO3晶體結構與鈣鈦礦結構稀土摻雜錳氧化物外延異質結器件［8］.在此基礎上研究鐵磁/反鐵磁/鐵磁(FM/ AFM/FM)三明治結構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際意義.

然而，眾所周知BiFeO3有很大的漏電問題，這也限制了其多方面的實際應用［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，應該是薄膜制備過程中的缺陷，非化學計量比等因素造成的.可以通過化學摻雜的方式來減小其漏電.另外，Ranjith等人［16］研究了BiFeO3/ SrTiO3超晶格，發現其漏電也有很大程度的改善.據我們所知，目前國際上還沒有關于(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構電學性質研究的報道.在對(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構做進一步研究前有必要對其導電機理做深入的探討.

本文在以前制備(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構工作的基礎上［8］，采用高純La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)靶和BiFeO3(BFO)靶通過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超晶格結構，測試在不同溫度下的電流-電壓曲線，研究(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構的導電機理.

2. 實驗

采用合肥科晶公司制造的高純La0.7Sr0.3MnO3靶和BiFeO3靶通過磁控濺射方法，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構(均為10個周期)，1) 20nm(LSMO)，20nm(BFO)，稱為L20;2)24nm (LSMO)，16nm(BFO)，稱為L24.頂層再沉積單層La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜，厚度也為33nm.實驗細節參見以前的工作［8］.最后在底層LSMO(被硅片遮住部分)和頂層LSMO上涂銀導電膠做電極接觸以進行電學測量.電流-電壓測試在Keithley 4200上進行.

3. 結果及討論

3.1. 電流-電壓特性

圖1所示是測得的L20和L24樣品的電流-電壓關系曲線.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-電壓關系曲線(a)在50，100，150℃下L20樣品的電流-電壓曲線，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，隨著溫度的升高，電流也隨之增大

超晶格結構的電阻可以等效成由若干個LSMO子層和BFO子層電阻組成的串聯電路，其總電阻可以用如下公式表示

其中n為薄膜子層層數，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.

對比L20和L24樣品的電流-電壓關系曲線可以看到L20樣品的電流比L24樣品的電流小(參見圖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，也可以這樣來理解這兩個樣品的電流差別.在高于290K的時候，La0.7Sr0.3MnO3表現出p型半導體特性［8］，這樣在BFO兩邊均是導電材料，而La0.7Sr0.3MnO3和BFO之間是靠隧穿效應進行傳輸［10］.BFO越厚，隧穿越難，從而BFO較厚的L20樣品的電流比L20樣品的電流小.

進一步比較L20和L24樣品的正、反向偏壓的電流-電壓關系可以看到，其反向的電流大于正向的電流，對于L24樣品來說，這種差別更加明顯(參見圖3).如前所述，在高于290K時，La0.7Sr0.3MnO3表現出p型半導體的特性，這樣，在其與銀電極之間就形成一個金屬-半導體接觸(參見圖4，其中參數取自文獻［15，17，18］等)，在頂電極加負的偏壓時，流經兩個樣品的電流相應較大，而在頂電極加正的偏壓時電流較小，這兩個超晶格結構樣品表現出整流特性.對于BFO較薄的L24樣品，因為隧穿難度較小，從而其正、反向的電流差別更明顯.但是，兩個樣品的整流特性都比較弱.另外，此正、負偏壓導致的電流差別還受La0.7Sr0.3MnO3與BFO之間兩個p-n結的影響，最后所得到的L20和L24樣品的電流-電壓關系是熱電子、隧穿等多種效應的綜合表現.

3.2. 導電機理分析

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

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

鐵電薄膜的漏電分析對鐵電薄膜的應用相當重要，也已經有了很長的歷史.絕緣薄膜的導電機理主要有三種:肖特基機理(Schottky)［19］、普爾-富蘭克林機理(Poole-Frenkel)和空間電荷限制電流機理(space-charge-limited current)［20，21］.其中，肖特基機理是由于材料與電極界面勢壘形成而導致的界面現象.而另外兩種都起因于材料的體內［22，23］.在空間電荷限制電流機理中，電流-電壓曲線可以分為三個階段，當電場強度E較小時，它們受Ohm’s law的限制，I∝J∝E，此時的導電主要由熱電子所引起;當電場強度E為中等強度時它們受trap filled limit的限制，I∝J∝Eα(α為正數)，此時的電流-電壓曲線上會有一個電流的陡峭上升;而當電場強度E更高時它們受Child’s law的限制，I∝J∝E2［24，25］.L24和L20樣品的lnI-lnV曲線示于圖5中.對于L24樣品，在所加電壓較大時，對不同溫度所測的電流-電壓數據擬合，其指數α均大于1但是小于2.這是受空間電荷限制電流機理主導的行為.而L20樣品中的導電機理比較復雜.在150℃時，其指數α比1略大，也是受空間電荷限制電流機理主導的行為.在100℃時，其指數α近似于1，是歐姆導電行為.而在更低的50℃時，在中等及較大的電壓范圍內，是歐姆導電.可以簡單比較一下本文的樣品和Ranjith等人關于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BiFeO3/SrTiO3的漏電流相對較小，這也是可以預期的.

圖5 (a)L24樣品在50，100，150℃下的lnI-lnV散點圖，直線為線性擬合曲線，對應三個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散點圖，直線為線性擬合曲線，對應兩個溫度下的斜率分別為1.05和1.16;(c)L20樣品在50℃下的電流-電壓散點圖，直線為線性擬合曲線

4. 結論

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超晶格結構.對所制備的超晶格結構進行了50—150℃溫度范圍內的電流-電壓測試分析.結果表明，(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n的導電機理與BFO薄膜的厚度，所加的電壓以及溫度等有關.隨著BFO薄膜的厚度減小，溫度的升高，超晶格樣品的漏電變大.結合通常的介質導電模型對所測得的電流-電壓數據進行分析，可以看到溫度和電場對其導電機理有很大影響.在溫度較低或者電場較弱時，所制備的(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格結構表現為歐姆導電，而在高溫，高電場的情況下，其導電行為由空間電荷限制電流機理主導.

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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

*國家自然科學基金(批準號:50672088)和浙江省自然科學基金杰出青年研究團隊(批準號:R4090058)資助的課題.

?通訊聯系人.E-mail:whtang@zstu.edu.cn