王智超，姜昱丞

（蘇州科技大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

氧化物電子學(xué)的大多數(shù)重要發(fā)展都發(fā)生在21 世紀(jì)[1-2]。氧化物電子學(xué)是低維物理學(xué)的一個(gè)分支，本質(zhì)上僅限于氧化物薄膜或異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面和界面處形成的二維電子氣（two-dimensional electron gas，2DEG）[3]。雖然氧化物基二維電子氣中的載流子遷移率比傳統(tǒng)半導(dǎo)體至少低三個(gè)數(shù)量級(jí)，但能展示出更迷人的現(xiàn)象，例如磁阻中的量子振蕩[4]、超導(dǎo)性[5-6]、磁性[7]，以及超導(dǎo)性和磁性的共存[8]。在最初的幾年里，SrTiO3（STO）由于其極高的介電常數(shù)被作為首選材料[9]，隨著二維電子氣在LaAlO3/STO 界面被發(fā)現(xiàn)[10]，氧化物電子學(xué)的研究受到了各界學(xué)者的廣泛關(guān)注，更多的二維電子氣制備方法也相繼被提出。

在過去的十年中，人們對具有強(qiáng)自旋軌道耦合（spin-orbit coupling，SOC）的材料的興趣不斷增加，這促使研究人員尋找具有強(qiáng)自旋軌道耦合且可能超過STO 的氧化物。由于KTaO3（KTO）自旋帶分裂約為STO 的20 倍，因此，KTO 作為一種全新的鈣鈦礦氧化物進(jìn)入人們的視野，特別是因?yàn)樗簿哂信cSTO 相似的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、電子有效質(zhì)量和帶隙。對KTO 中二維電子氣的研究始于2011 年，人們觀察到可以通過使用雙電層晶體管（electric double-layered transistor，EDLT）技術(shù)在KTO 的絕緣晶體表面上誘導(dǎo)超導(dǎo)性[11]，這與STO 完全相同。值得注意的是，早在1982 年就有人提出了在KTO 中觀察超導(dǎo)性的可能性[12]。

筆者報(bào)道了一種在KTO 發(fā)現(xiàn)的全新亞穩(wěn)態(tài)電子氣（metastable two-dimensional electron gas，M2DEG）與p 型材料WSe2所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)在光電存儲(chǔ)性能上的研究。使用氬離子束輔助轟擊法（Ar+-ion-bombardment assistant，AIBA）[13]制備KTO 表面二維電子氣，并且通過對傳統(tǒng)KTO 表面二維電子氣的退火處理，觀察到了具有亞穩(wěn)態(tài)特性的電子氣，稱之為M2DEG。亞穩(wěn)態(tài)體現(xiàn)在M2DEG 具有兩種不同的電子相共存，并能通過人為調(diào)控實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)變。基于這種新型的M2DEG，采用p 型材料WSe2與之構(gòu)成范德華異質(zhì)結(jié)[14]，由M2DEG 制成的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出可充電光電導(dǎo)特性。同時(shí)光生載流子的消耗也會(huì)影響電子氣界面的載流子分布，從而引發(fā)電子氣區(qū)域的相轉(zhuǎn)變。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

利用AIBA 法，在KTaO3襯底上制備二維電子氣，轟擊電壓選擇300 V，氬氣流速控制在6 sccm，轟擊10 min 后在370 K 的溫度條件下退火20 min，將KTO 二維電子氣轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)。圖1a 展示了文中實(shí)驗(yàn)所用KTO 的XRD（X-ray diffraction，XRD）衍射圖，可以清楚地看出該實(shí)驗(yàn)使用的KTO 取向?yàn)椋?01）。圖1b 展示了轟擊前后KTO 的拉曼光譜，可以看出，氬離子束的轟擊并不會(huì)改變KTO 拉曼峰的位置。

圖1 （a）KTO 的XRD 衍射圖；（b）轟擊前后KTO 的拉曼光譜衍射圖；（c）金相顯微鏡下的WSe2/M2DEG 異質(zhì)結(jié)形貌圖；（d）WSe2/M2DEG 異質(zhì)結(jié)的AFM 形貌圖

異質(zhì)結(jié)的制備同樣基于AIBA 法，在氬離子束轟擊前，利用機(jī)械剝離法將少層的WSe2轉(zhuǎn)移到KTO 襯底上，通過光刻-磁控濺射的方法在WSe2的一側(cè)鍍上金電極。之后進(jìn)行二次光刻，繪制所需電子氣區(qū)域（一般為WSe2的另一側(cè)），即可對樣品進(jìn)行AIBA 法的處理，從而制備WSe2/2DEG 異質(zhì)結(jié)。制備完成的異質(zhì)結(jié)金相顯微鏡視圖如圖1c 所示。并且利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）對該樣品的表面進(jìn)行形貌表征（如圖1d 所示）。

KTO 具有與STO 相似的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，它們有著相似的介電常數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。同時(shí)KTO 有著比STO 更強(qiáng)的自旋-軌道耦合特性。這使KTO 成為下一代電子和自旋電子應(yīng)用的最佳候選產(chǎn)品之一。與STO 不同，氬離子束轟擊處理得到的KTO 二維電子氣極易與空氣中的氧氣接觸發(fā)生還原反應(yīng)，從而失效。因此，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為絕緣層，通過勻膠機(jī)均勻地在KTO 表面旋涂PMMA 層防止二維電子氣氧化失效。

將制備好的樣品放入綜合物性測量平臺(tái)（Physical Property Measurement System，PPMS）腔體內(nèi)，PPMS 能夠?yàn)闇y試提供10 K 的低溫以及穩(wěn)定的氣體環(huán)境，保證在測試的過程中，樣品不會(huì)受到外界環(huán)境的干擾。

2 結(jié)果與討論

制備好的WSe2/M2DEG 異質(zhì)結(jié)在10 K 的低溫下測量不同波長的激光照射后異質(zhì)結(jié)的I-V 循環(huán)曲線。圖2a 顯示了樣品在經(jīng)過不同波長的激光照射后，在黑暗環(huán)境下施加偏置電壓進(jìn)行載流子消耗的單次I-V 曲線，可以看出，該樣品存在可充電光電導(dǎo)效應(yīng)，即經(jīng)過激光照射后，通過施加偏壓的手段可以使光生載流子流過結(jié)界面。圖2a 同時(shí)也顯示了該樣品對532 nm 波長的單色光吸收最好，對405 nm 波長以及447 nm 波長的單色光吸收性能其次，接著是785 nm 波長與808 nm 波長的單色光，而對655 nm 波長的單色光吸收最差。研究發(fā)現(xiàn)在這個(gè)532 nm 波長的單色光照明下，偏置電壓能激發(fā)出更大的光電流。因此，接下來將主要以532 nm 的單色光作為測試條件。

圖2 （a）不同光波長下WSe2/KTO 異質(zhì)結(jié)的I-V 放電圖；（b）532 nm 光波條件下不同電壓速率對I-V 的影響

圖2b 顯示了532 nm 波長單色光照明后，黑暗環(huán)境下不同偏壓速率對光電流的影響。當(dāng)施加偏置電壓的步長為0.5 V·s-1時(shí)，10 V 的偏置電壓能激發(fā)出大約0.8 mA 的光電流，隨著偏置電壓步長的逐漸減小，10 V 的偏置電壓所能激發(fā)的光電流大小呈單調(diào)遞減趨勢。當(dāng)偏置電壓步長減小至0.002 V·s-1時(shí)，10 V 的偏置電壓僅能激發(fā)大約0.4 mA 的光電流，約為0.5 V·s-1的一半。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，大偏壓速率能更好地激發(fā)光電流，這與一般光電導(dǎo)不同。對于可充電光電導(dǎo)，偏壓速率越大，電子空穴對的復(fù)合也越快，因此，能更快地釋放光生載流子，從而導(dǎo)致光電流的顯著增加。

為了進(jìn)一步研究光電流對亞穩(wěn)態(tài)電子氣的影響，在單次單色光照明后，黑暗環(huán)境下對樣品進(jìn)行多次不同范圍的I-V 放電測試，并且在每次光電流釋放后，對KTO 電子氣進(jìn)行I-V 測試，觀察亞穩(wěn)態(tài)電子氣的伏安特性變化。為了不損壞器件，測試范圍選擇在10 V 以內(nèi)。圖3a 顯示了單次光照明后多次光電流釋放的I-V 曲線，在一個(gè)低電壓范圍內(nèi)的電子空穴對被完全消耗完后，可以通過一個(gè)更高的偏壓激發(fā)出更大的光電流。這一發(fā)現(xiàn)說明了光生載流子的分布與電壓范圍有關(guān)，更大的電壓范圍下可能會(huì)存在更多的載流子。

圖3 （a）一次光充能后進(jìn)行多次放電的I-V 曲線；（b）每次放電后亞穩(wěn)態(tài)電子氣的電阻I-V 線性關(guān)系

光生載流子往往存在于p-n 結(jié)交界面區(qū)域的兩側(cè)，由電子-空穴對為主導(dǎo)。當(dāng)偏置電壓施加在p-n 結(jié)兩側(cè)時(shí)，能促進(jìn)電子-空穴對復(fù)合，消耗光生載流子。這種對載流子的消耗作用往往不會(huì)影響p 型材料和n 型材料的電導(dǎo)率，但是對于亞穩(wěn)態(tài)電子氣，情況卻是完全不一樣。圖3b 展示了光電流的釋放對M2DEG 的影響，當(dāng)器件受到單色光照明后，在黑暗環(huán)境下不對其施加偏置電壓，M2DEG 區(qū)域呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，說明該區(qū)域內(nèi)的載流子分布十分均勻。隨著偏置電壓施加在異質(zhì)結(jié)兩端，光電流被釋放，此時(shí)M2DEG 區(qū)域內(nèi)載流子分布也隨之發(fā)生變化，失去了原有的線性關(guān)系，并且電導(dǎo)率也產(chǎn)生巨大變化，表現(xiàn)為下降趨勢。隨著偏置電壓增加至10 V，M2DEG 區(qū)域內(nèi)的金屬相載流子被逐漸消耗，最后表現(xiàn)為M2DEG 區(qū)域絕緣。該實(shí)驗(yàn)說明了通過施加偏置電壓對異質(zhì)結(jié)的載流子消耗，會(huì)破壞M2DEG 區(qū)域內(nèi)原有的I-V 線性關(guān)系，直至電子氣區(qū)域呈現(xiàn)絕緣。

3 結(jié)語

AIBA 法制備的KTO 電子氣，經(jīng)過高溫退火后，表現(xiàn)出亞穩(wěn)態(tài)的特征。基于這種亞穩(wěn)態(tài)電子氣制成的范德華異質(zhì)結(jié)，表現(xiàn)出可充電光電導(dǎo)的特性，并且可以通過調(diào)節(jié)偏壓速率，改變電子空穴對的復(fù)合趨勢，從而改變光電流的大小。而光電流的釋放也會(huì)影響電子氣界面的載流子分布狀態(tài)，改變其原有的線性I-V 關(guān)系，使電子氣界面產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變。文中講述了WSe2/M2DEG 的光電導(dǎo)特性，研究了M2DEG 界面的載流子損耗與異質(zhì)結(jié)光電流的依賴關(guān)系，為M2DEG 的研究提供了一個(gè)新的視點(diǎn)。