激光分子束外延生长CeO2薄膜与结构性能分析

本申请针对NSAF联合基金明确目标课题第28项"激光分子束外延生长CeO2薄膜与结构性能分析"提出。二氧化铈具有立方氟化钙结构，晶格常数(0.541nm) 与 Si 的晶格参数(0.543nm)的失配因子只有 0.35 %，CeO2薄膜在微电子、高温超导薄膜缓冲层、光学薄膜等方面都有着广阔的应用前景。基于Si与CeO2的晶格参数的匹配性，本课题拟开展使用金属Ce靶材在Si衬底上外延CeO2的研究工作，通过Si的表面处理、超薄Ce层的沉积及外延工艺参数的调整，探索使用脉冲激光沉积的方法制备高质量的外延CeO2薄膜，研究外延薄膜的生长机理，阐明外延薄膜微观结构与光学常数（折射率、吸收系数、禁带宽度等）之间的关系，探索制备光学常数趋于CeO2单晶的外延CeO2薄膜。

本项目使用脉冲激光沉积的方法在Si、SrTiO3和YSZ衬底上制备了高质量的外延CeO2薄膜，对CeO2薄膜的制备工艺参数、微观结构及相关性能进行了深入研究，完成了项目的研究任务，主要研究结果如下：.（一）采用脉冲激光沉积，使用Ce和CeO2靶在Si衬底上制备了表面光滑、原子排列有序的CeO2薄膜。研究了衬底温度、氧分压对CeO2薄膜结晶质量及电性能的影响，获得了CeO2薄膜的结晶状态与电性能之间的关系。光学测试结果表明，所制备的CeO2薄膜折射率基本在2.4左右，非常接近单晶块体材料的光学常数。说明使用PLD技术可以制备出光学性能良好的CeO2薄膜，并且薄膜光学性能对所使用靶材及制备工艺参数不太敏感。.（二）采用激光分子束外延在Si衬底上制备了呈高度（111）取向的CeO2薄膜。RHEED表明薄膜以二维模式生长，平整光滑。HRTEM结果显示，薄膜与衬底之间有过渡层，薄膜为多晶态。研究了衬底温度、激光能量、后续热处理对薄膜结构及电性能的影响。.（三）在SrTiO3和YSZ衬底上外延生长了CeO2薄膜，探索了获得外延CeO2薄膜的最佳工艺参数。通过RHEED、XRD和HRTEM等对其薄膜的晶体结构进行表征，发现所制备的外延薄膜呈高度(100)取向，薄膜表面光滑、原子排列有序；且薄膜与衬底之间的匹配关系为CeO2(100)//STO(100), CeO2[110]//STO[100]和CeO2(100)//YSZ(100), CeO2[100]//YSZ[100]。通过光电子能谱分析，发现外延薄膜中Ce3+和Ce4+共存，存在一定量的氧空位，这与薄膜沉积条件及CeO2本身具有的特性相关。.（四）在Nb-doped SrTiO3(001)衬底上外延生长了CeO2薄膜，并通过退火、光刻等后续工艺制备出Au/epi-CeO2/NSTO阻变存储原型器件。通过X射线衍射和高分辨透射电镜对其晶体结构进行了表征，结果表明薄膜呈高度外延取向。通过电学性能表征，显示该器件具有优异的阻变存储性能，开关比较大，离散小，可重复性和稳定性良好。进一步的实验及分析证明该器件的阻变效应属于界面阻变机制且来源于CeO2/NSTO界面。载流子的捕获/释放以及氧空位的运动是高低阻态转变的主要原因。