SSN03794148 N11-1957/04 第39卷第8期2010 I(A MEMOGATKA MALIGA51 50园 激光发明50周年专题 ●物理学中的演生现象 拓扑绝缘体及其研究进展 ●普兰克1923年在华学术活动 ∈彎 国物理学会 中国科学院物理研究所办
第39卷 第8期 2010年8月 目次 WULI 月刊·1972年创刊 激光发明50周年专题 激光医学 顾瑛(515) 国家科技部“中国科技论文统计源期刊” 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展 (中国科技核心期刊) 郭海中陆珩金奎娟吕惠宾何萌王灿杨国桢(522) 神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展………… 国家自然科学基金委员会数理学部资助 江少恩丁永坤刘慎业张保汉 中国科协精品科技期刊示范项目 郑志坚杨家敏缪文勇黄天晅张继彦李三伟曹磊峰(531) 评述 物理学中的演生现象 张广铭于渌(543) “就像从帽子里拎出兔子”——从陈难先的一个工作说起 王正行(550) 前沿评述 压电电子学和压电光电子学 王中林(556) 保偏等离激元纳米光波导、等离激元纳米光子路由器和多路转接器评述 ……李志鹏方蔚瑞黄映洲徐红星(558) 利用比热手段证明氧化物超导体正常态有电子库珀对存在 牟刚罗会仟闻海虎(560) 前沿进展 拓扑绝缘体及其研究进展……………… 叶飞苏刚(564) 日物理攫英 主管中国科学院 湯132的双幻核特性检验 孟杰张颖陈启博(570) 主办中国物理学会 物理学史和物理学家 中国科学院物理研究所 普兰克1923年在华学术活动 刘娜李艳平(572) 协办国家自然科学基金委员会中国物理学会通讯 数理科学部 关于推荐及评选2010—2011年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌物 理奖的通知(578)关于推荐及评选第三届中国物理学会谢希德物理奖通知 中国工程物理研究院 (578)关于推荐评选第八届周培源物理奖的通知(579)关于推荐及评选第 主编冯世平 届中国物理学会黄昆物理奖的通知(579) 出版《物理》编辑部 书评和书讯 地址北京603信箱,100190 科学出版社物理类重点书图书推荐(549)三十年潜心研究的成果一李 华著《电子晶体学与图像处理》简介(吴自勤,580)北京大学建校110周年物 电话(010)82649470,82649266 理人物图书系列(582)《北京大学物理学丛书》书目(583) 传真(010)82649029 物理新闻和动态 广告业务(010)8264926 观看量子现象(树华,542)对超冷化学反应的探讨(云中客,555)石墨烯纳 Email: physics@iphy ac, cn 米丝电路(树华,577)形状各异的气泡(云中客,577) Http://www.wuli.ac.cn 招生招聘 Newport集团(光谱物理公司)招聘中国大陆区域销售和技术人员(581)香港中文 印刷装订北京科信印刷厂 大学物理系招生信息(584)半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才(585)首都 国内统一刊号CN11-1957/O4 师范大学太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室诚招英才(585)中国科学 国内邮发代号2-805 院物理研究所(北京凝聚态物理国家实验室)2010年度人才招聘启事(586)南京 国内定价20.00元 大学固体微结构国家重点实验室诚招英才(586)北京计算科学研究中心招聘海 内外高层次人才(587)北京大学量子材料科学中心人才招聘启事(588) 总发行北京报刊发行局 封面故事 秦克诚(521 订购处全国各地邮局 读者和编者 国际标准刊号ISSN0379-4148 《中国大百科全书·物理学》(第二版)邮购信息… (579) 国外代号M51 广告江西连胜实验装备有限公司(封二)宁波爱发科低温泵有限公司(封三)美国 国外总发行中国国际图书贸易总公司 理波公司北京代表处(封底)北京汇德信科技有限公司(插1)先锋科技股份有 限公司(插2)科艺仪器有限公司(插3) Stanford Research Systems(插4)北 (北京399信箱100044) 京优赛科技有限公司(插5)慕尼黑上海激光、光电展(插6)北京三尼阳光科 广告经营许可证京海工商广字 技发展有限公司(插7)北京微视凌志图像技术有限公司(插8)北京赛凡光电 第0335号 仪器有限公司(倒插1)上海格奥光电技术有限公司(倒插2)北京鼎信优威光 出版日期2010年8月12日 子科技有限公司(倒插3、4))北京欧普特科技有限公司(第557页) 2010版权所有
月刊·1972年创刊 国家科技部“中国科技论文统计源期刊暠 (中国科技核心期刊) 国家自然科学基金委员会数理学部资助 中国科协精品科技期刊示范项目 主 管 中国科学院 主 办 中国物理学会 中国科学院物理研究所 协 办 国家自然科学基金委员会 数理科学部 中国工程物理研究院 主 编 冯世平 出 版 《物理》编辑部 地 址 北京603信箱,100190 电 话 (010)82649470,82649266 传 真 (010)82649029 广告业务 (010)82649266 Email:physics@iphy.ac.cn Http:飋飋www.wuli.ac.cn 印刷装订 北京科信印刷厂 国内统一刊号 CN11-1957/O4 国内邮发代号 2-805 国内定价 20.00元 总 发 行 北京报刊发行局 订 购 处 全国各地邮局 国际标准刊号 ISSN0379-4148 国外代号 M51 国外总发行 中国国际图书贸易总公司 (北京399信箱 100044) 广告经营许可证 京海工商广字 第0335号 出版日期 2010年8月12日 擪 2010版权所有 第39卷 第8期 2010年8月 目 次 激光发明50周年专题 激光医学 …………………………………………………………… 顾 瑛(515) 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展 ……………………………… …… 郭海中 陆 珩 金奎娟 吕惠宾 何 萌 王 灿 杨国桢(522) 神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展 ……………………… …………………………………… 江少恩 丁永坤 刘慎业 张保汉 郑志坚 杨家敏 缪文勇 黄天晅 张继彦 李三伟 曹磊峰(531) 评述 物理学中的演生现象 …………………………………… 张广铭 于 渌(543) “就像从帽子里拎出兔子暠———从陈难先的一个工作说起 ……… 王正行(550) 前沿评述 压电电子学和压电光电子学 ……………………………………… 王中林(556) 保偏等离激元纳米光波导、等离激元纳米光子路由器和多路转接器评述 … …………………………………… 李志鹏 方蔚瑞 黄映洲 徐红星(558) 利用比热手段证明氧化物超导体正常态有电子库珀对存在………………… ……………………………………………… 牟 刚 罗会仟 闻海虎(560) 前沿进展 拓扑绝缘体及其研究进展 …………………………… 叶 飞 苏 刚(564) 今日物理攫英 锡132的双幻核特性检验 …………………… 孟 杰 张 颖 陈启博(570) 物理学史和物理学家 普兰克1923年在华学术活动 ………………………… 刘 娜 李艳平(572) 中国物理学会通讯 关于推荐及评选2010—2011年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌物 理奖的通知(578) 关于推荐及评选第三届中国物理学会谢希德物理奖通知 (578) 关于推荐评选第八届周培源物理奖的通知(579) 关于推荐及评选第 二届中国物理学会黄昆物理奖的通知(579) 书评和书讯 科学出版社物理类重点书图书推荐(549) 三十年潜心研究的成果———李方 华著《电子晶体学与图像处理》简介(吴自勤,580) 北京大学建校110周年物 理人物图书系列(582) 《北京大学物理学丛书》书目(583) 物理新闻和动态 观看量子现象(树华,542) 对超冷化学反应的探讨(云中客,555) 石墨烯纳 米丝电路(树华,577) 形状各异的气泡(云中客,577) 招生招聘 Newport集团(光谱物理公司)招聘中国大陆区域销售和技术人员(581) 香港中文 大学物理系招生信息(584) 半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才(585) 首都 师范大学太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室诚招英才(585) 中国科学 院物理研究所(北京凝聚态物理国家实验室)2010年度人才招聘启事(586) 南京 大学固体微结构国家重点实验室诚招英才(586) 北京计算科学研究中心招聘海 内外高层次人才(587) 北京大学量子材料科学中心人才招聘启事(588) 封面故事 ……………………………………………………………… 秦克诚(521) 读者和编者 《中国大百科全书·物理学》(第二版)邮购信息 ………………………… (579) 广告 江西连胜实验装备有限公司(封二) 宁波爱发科低温泵有限公司(封三) 美国 理波公司北京代表处(封底) 北京汇德信科技有限公司(插1) 先锋科技股份有 限公司(插2) 科艺仪器有限公司(插3) StanfordResearchSystems(插4) 北 京优赛科技有限公司(插5) 慕尼黑上海激光、光电展(插6) 北京三尼阳光科 技发展有限公司(插7) 北京微视凌志图像技术有限公司(插8) 北京赛凡光电 仪器有限公司(倒插1) 上海格奥光电技术有限公司(倒插2) 北京鼎信优威光 子科技有限公司(倒插3、4)) 北京欧普特科技有限公司(第557页)
激光发明50周年专题 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展 郭海中陆珩金奎娟吕惠宾何萌王灿杨国桢 (中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190) 摘要光与物质相互作用可以产生各种光学现象,其中光电效应是非常重要的现象之一,文中集中回顾了文 章作者在钙钛矿氧化物异质结的光电效应研究中的进展.在钙钛矿氧化物异质结中,分别观测到了传统的纵向光 电效应和反常的横向光电效应,并通过对含时的漂移一扩散方程的自洽求解,从理论上分别揭示了钙钛矿氧化物 异质结纵向和横向光电效应的动态过程.文章首先介绍了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效应的研究进展,接着概 述了钙钛矿氧化物异质结横向光电效应研究的进展.最后对氧化物异质结的纵向和横向光电效应的潜在应用前景 进行展望 关键词光与物质相互作用,光电效应,钙钛矿氧化物异质结 Photovoltage in perovskite oxide heterostructures GUO Hai-Zhong L U Heng JIN Kui-Juan LU Hui-Bin HE Meng WANG Can YANG Guo-Zhen Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Ph ysics, Chinese Academy of sciences, Beijing 100190, China) Abstract The interaction of light with matter can induce a variety of optical phenomena, amongst which photovoltage is one of the most important. In this paper we report our experimental and theoretical studies on perovskite oxide heterojunctions which exhibit traditional vertical photovoltage as well as unusual latera photovoltage. The dynamic process of the photovoltaic effect in perovskite oxide heterojunctions is analyzed nd explained by means of a self\ consistent calculation based on the drift-diffusion mode. We first describe our experimental and theoretical results for the vertical photovoltage effect, followed by those for the lateral photovoltage. Finally, their potential applications are discussed Keywords interaction of light with matter, photovoltage, perovskite oxide heterojuction 子逸出物质表面,形成真空中的电子的现象;内光电 1引言 效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴) 仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化(光电 光与物质相互作用可以产生各种光学现象,如导效应)或产生光生伏特( photovoltaic effect)的 光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光以及物质受现象 激辐射等.光与物质相互作用还可以产生一种能量 半个世纪以来,硅基半导体材料的光电特性研 转移的现象,即光照射到某些物质上,引起物质的电究取得了巨大的成功,半导体太阳能电池和硅光电 性质发生变化,也就是光能量转换成电能.这类光致 电变的现象被人们统称为光电效应( photoelectric*国家自然科学基金委员会国家杰出青年科学基金(批准号 effect).这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯 10825418) 重点基础研究发展计划(批准号: 韦电磁理论时偶然发现的.光电效应分为外光电效 2007CB307005)资助项目 应和内光电效应:外光电效应是被光激发产生的电 2010-07-15收到 十通讯联系人.Email:kujin@aphy.iphy.ac.cn 522 http://www.wuliac,cn 物理·39卷(2010年)8期
http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2010年)8期 钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展* 郭海中 陆 珩 金奎娟昄 吕惠宾 何 萌 王 灿 杨国桢 (中国科学院物理研究所 北京凝聚态物理国家实验室 北京 100190) 摘 要 光与物质相互作用可以产生各种光学现象,其中光电效应是非常重要的现象之一.文中集中回顾了文 章作者在钙钛矿氧化物异质结的光电效应研究中的进展.在钙钛矿氧化物异质结中,分别观测到了传统的纵向光 电效应和反常的横向光电效应,并通过对含时的漂移-扩散方程的自洽求解,从理论上分别揭示了钙钛矿氧化物 异质结纵向和横向光电效应的动态过程.文章首先介绍了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效应的研究进展,接着概 述了钙钛矿氧化物异质结横向光电效应研究的进展.最后对氧化物异质结的纵向和横向光电效应的潜在应用前景 进行展望. 关键词 光与物质相互作用,光电效应,钙钛矿氧化物异质结 Photovoltageinperovskiteoxideheterostructures GUO Hai灢Zhong LU Heng JIN Kui灢Juan 昄 LU Hui灢Bin HE Meng WANGCan YANGGuo灢Zhen (BeijingNationalLaboratoryforCondensedMatterPhysics,InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China) Abstract Theinteractionoflightwithmattercaninduceavarietyofopticalphenomena,amongstwhich photovoltageisoneofthemostimportant.Inthispaperwereportourexperimentalandtheoreticalstudies onperovskiteoxideheterojunctionswhichexhibittraditionalverticalphotovoltageaswellasunusuallateral photovoltage.Thedynamicprocessofthephotovoltaiceffectinperovskiteoxideheterojunctionsisanalyzed andexplainedbymeansofaself\consistentcalculationbasedonthedrift灢diffusionmode.Wefirstdescribe ourexperimentalandtheoreticalresultsfortheverticalphotovoltageeffect,followedbythoseforthelateral photovoltage.Finally,theirpotentialapplicationsarediscussed. Keywords interactionoflightwithmatter,photovoltage,perovskiteoxideheterojuction * 国家自然 科 学 基 金 委 员 会 国 家 杰 出 青 年 科 学 基 金 (批 准 号: 10825418)、国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (批 准 号: 2007CB307005)资助项目 2010-07-15收到 昄 通讯联系人.Email:kjjin@aphy.iphy.ac.cn 1 引言 光与物质相互作用可以产生各种光学现象,如 光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光以及物质受 激辐射等.光与物质相互作用还可以产生一种能量 转移的现象,即光照射到某些物质上,引起物质的电 性质发生变化,也就是光能量转换成电能.这类光致 电变的现象被人们统称为光电效应(photoelectric effect).这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯 韦电磁理论时偶然发现的.光电效应分为外光电效 应和内光电效应:外光电效应是被光激发产生的电 子逸出物质表面,形成真空中的电子的现象;内光电 效应是被光激发所产生的载流子(自由电子或空穴) 仍在物质内部运动,使物质的电导率发生变化(光电 导效应)或产生光生伏特(photovoltaiceffect)[1]的 现象. 半个世纪以来,硅基半导体材料的光电特性研 究取得了巨大的成功,半导体太阳能电池和硅光电 ·522· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 探测器在生产和生活中正变得越来越重要.但由于用的过程.引起我们思考的问题是,在激光强度可以 单晶硅成本价格居高不下以及工艺复杂,要想大幅达到非常强的今天,如果光生载流子的数目和氧化 度降低相应光电器件的成本非常困难.而钙钛矿氧物半导体的掺杂浓度可以相比拟,那么,另外一种机 化物材料价格便宜、原料丰富、性能稳定,且可通过制,即丹倍效应( Dember effect)会不会起主导作用 化学掺杂等手段来适当调节其性能,已经成为光电呢?丹倍效应是指当光照射到物体表面时,产生的 特性研究中所看好的材料 电子一空穴对同时向外扩散,由于电子比空穴扩散 光辐照是一种外界激励.利用光辐照不需要改得快,导致光照部分电势高,未照部分电势低,这样 变钙钛矿氧化物的化学组分和晶体结构就可以方便也可在物体表面形成瞬态电势分布,即为横向丹倍 地改变钛矿氧化物的载流子浓度,影响钛矿氧化物光电效应1.丹倍光电效应在半导体表面的发现和 的物理性质,这就使得通过光诱导的方式操控钙钛提出距今已有60年的历史了13,但在半导体p-n 矿氧化物的物理特性成为一种可能.近年来,国内外结的研究中未见报道.如果在氧化物异质结中真的 学者已经对光对钙钛矿氧化物材料特性的影响开展会出现这种丹倍效应为主导的机制,那么在实验上 了一系列研究.日本的研究小组发现X射线和激光最有力的佐证就是在p区和n区测得的横向光生电 都可以在Pra.rCao.3MnO3单晶中诱导材料的绝缘压具有相同的符号(正或负).我们接下来的实验研 体一金属相变现象23.在Pro.rCa3MnO3单晶2究[完全证实了这种猜测,后续的理论研究[7又 和(La3Nd.)2/3Ca1MnO3薄膜中,还存在光诱揭示了这种由传统半导体p-n结横向光电理论为 导的光电导效应在光照结束后仍保持一段时间的持主导到由丹倍效应为主导的机制转变是由光生载流 续光电导效应.La.8Sra2MnO3/ SrTio3异质结的子的数目来调制的,即可由激光能量来操控.在实验 输运性质和磁性可以通过光场调制载流子浓度的方中最为有趣的发现是,在氧化物和半导体衬底上生 来调制[].另外,在钙钛矿异质结的光电特性研究长了氧化物薄膜后,其丹倍光电效应分别比原来的 方面,国内外许多研究小组也开展了大量的研究工衬底提高了一个数量级.目前,半导体块材中的横向 丹倍效应由于可以成为太赫兹辐射源而引起科学家 根据产生电势差时载流子分离机理的不同,光广泛的关注[8-20,我们期待这种氧化物异质结由于 生伏特效应又可分为纵向光电效应(势垒效应,其大大增强的瞬态丹倍光电效应,可以成为一种新 p-n结光生伏特效应)和横向光电效应等 型的太赫兹辐射源 纵向光电效应指的是在光照射到p-n结时, 这篇综述文章主要介绍我们在钙钛矿氧化物异 将在p-n结两端产生电动势的现象.在传统半导质结纵向和横向光电效应的实验和理论计算研究方 体p-n结中,当光子能量大于或等于半导体材料面的最新研究进展6,l,2-2.我们在钙钛矿氧化物 带隙的光辐照到p-n结上时,价带中的电子跃迁异质结中分别观测到了传统的纵向光电效应和反常 到导带,而产生电子一空穴对,在内建电场的作用的横向光电效应;在理论上,我们通过对含时的漂移 下,电子向n区漂移,空穴向p区漂移,使p区费米扩散方程的自洽求解,分别揭示了氧化物异质结 能级降低,n区费米能级提高,在垂直结平面的方向纵向和横向光电效应的动态过程.文章分别介绍了 上形成光生电动势,这种效应被称为纵向光电效应.我们最新的钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应实 横向光电效应( lateral photovoltage,LPV)在验和理论研究结果,和其横向光电效应实验和理论 传统半导体理论中是指p-n结受不均匀光照时,研究结果,并做了讨论和小结.开展钙钛矿氧化物光 光照部分产生电子一空穴对,电子一空穴对在光照电特性的研究不仅对理解电子强关联体系中的凝聚 区被内建电场分离.由于载流子浓度在光照区比未态物理基本问题具有重要意义,而且也是探索和研 受光照区的浓度大,在横向上出现了载流子浓度梯究新型光电器件的重要手段,探索解决能源危机的 度,引起载流子扩散,于是在p区和n区表面分别形新途径 成了横向电势分布.由于在p-n结中,在内建电场 的漂移作用下,p区集聚了空穴,而n区集聚了电2实验结果和理论分析 子,因此在p区两任意位置所测量的光生电压应该 与n区中两个对应位置处的光生电压具有相反的符 我们用激光分子束外延技术制备了一系列不同 号.这样的现象事实上是体系中多数载流子在起作厚度的Lao.9 Sro i Mno3/ SiNbo oI Ti0.9O3(LSMO/ 物理·39卷(2010年)8期 http://www,wuliaccn
物理·39卷 (2010年)8期 http:飋飋www.wuli.ac.cn 探测器在生产和生活中正变得越来越重要.但由于 单晶硅成本价格居高不下以及工艺复杂,要想大幅 度降低相应光电器件的成本非常困难.而钙钛矿氧 化物材料价格便宜、原料丰富、性能稳定,且可通过 化学掺杂等手段来适当调节其性能,已经成为光电 特性研究中所看好的材料. 光辐照是一种外界激励.利用光辐照不需要改 变钙钛矿氧化物的化学组分和晶体结构就可以方便 地改变钛矿氧化物的载流子浓度,影响钛矿氧化物 的物理性质,这就使得通过光诱导的方式操控钙钛 矿氧化物的物理特性成为一种可能.近年来,国内外 学者已经对光对钙钛矿氧化物材料特性的影响开展 了一系列研究.日本的研究小组发现,X射线和激光 都可以在 Pr0.7Ca0.3MnO3 单晶中诱导材料的绝缘 体-金属相变现象[2,3].在 Pr0.7Ca0.3MnO3 单晶[2] 和(La0.3Nd0.7)2/3Ca1/3MnO3 薄膜[4]中,还存在光诱 导的光电导效应在光照结束后仍保持一段时间的持 续光电导效应.La0.8Sr0.2 MnO3/SrTiO3 异 质 结 的 输运性质和磁性可以通过光场调制载流子浓度的方 法来调制[5].另外,在钙钛矿异质结的光电特性研究 方面,国内外许多研究小组也开展了大量的研究工 作[6—14]. 根据产生电势差时载流子分离机理的不同,光 生伏特 效 应 又 可 分 为 纵 向 光 电 效 应 (势 垒 效 应, p-n结光生伏特效应)和横向光电效应等. 纵向光电效应指的是在光照射到 p-n结时, 将在p-n结两端产生电动势的现象.在传统半导 体p-n结中,当光子能量大于或等于半导体材料 带隙的光辐照到 p-n结上时,价带中的电子跃迁 到导带,而产生电子-空穴对,在内建电场的作用 下,电子向n区漂移,空穴向p区漂移,使p区费米 能级降低,n区费米能级提高,在垂直结平面的方向 上形成光生电动势,这种效应被称为纵向光电效应. 横向光电效应(lateralphotovoltage,LPV)在 传统半导体理论中是指 p-n结受不均匀光照时, 光照部分产生电子-空穴对,电子-空穴对在光照 区被内建电场分离.由于载流子浓度在光照区比未 受光照区的浓度大,在横向上出现了载流子浓度梯 度,引起载流子扩散,于是在p区和n区表面分别形 成了横向电势分布.由于在p-n结中,在内建电场 的漂移作用下,p 区集聚了空穴,而 n 区集聚了电 子,因此在p区两任意位置所测量的光生电压应该 与n区中两个对应位置处的光生电压具有相反的符 号.这样的现象事实上是体系中多数载流子在起作 用的过程.引起我们思考的问题是,在激光强度可以 达到非常强的今天,如果光生载流子的数目和氧化 物半导体的掺杂浓度可以相比拟,那么,另外一种机 制,即丹倍效应(Dembereffect)会不会起主导作用 呢? 丹倍效应是指当光照射到物体表面时,产生的 电子-空穴对同时向外扩散,由于电子比空穴扩散 得快,导致光照部分电势高,未照部分电势低,这样 也可在物体表面形成瞬态电势分布,即为横向丹倍 光电效应[15].丹倍光电效应在半导体表面的发现和 提出距今已有60年的历史了[15],但在半导体p-n 结的研究中未见报道.如果在氧化物异质结中真的 会出现这种丹倍效应为主导的机制,那么在实验上 最有力的佐证就是在p区和n区测得的横向光生电 压具有相同的符号(正或负).我们接下来的实验研 究[16]完全证实了这种猜测,后续的理论研究[17]又 揭示了这种由传统半导体p-n结横向光电理论为 主导到由丹倍效应为主导的机制转变是由光生载流 子的数目来调制的,即可由激光能量来操控.在实验 中最为有趣的发现是,在氧化物和半导体衬底上生 长了氧化物薄膜后,其丹倍光电效应分别比原来的 衬底提高了一个数量级.目前,半导体块材中的横向 丹倍效应由于可以成为太赫兹辐射源而引起科学家 广泛的关注[18—20],我们期待这种氧化物异质结由于 其大大增强的瞬态丹倍光电效应,可以成为一种新 型的太赫兹辐射源. 这篇综述文章主要介绍我们在钙钛矿氧化物异 质结纵向和横向光电效应的实验和理论计算研究方 面的最新研究进展[16,17,21—23].我们在钙钛矿氧化物 异质结中分别观测到了传统的纵向光电效应和反常 的横向光电效应;在理论上,我们通过对含时的漂移 -扩散方程的自洽求解,分别揭示了氧化物异质结 纵向和横向光电效应的动态过程.文章分别介绍了 我们最新的钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应实 验和理论研究结果,和其横向光电效应实验和理论 研究结果,并做了讨论和小结.开展钙钛矿氧化物光 电特性的研究不仅对理解电子强关联体系中的凝聚 态物理基本问题具有重要意义,而且也是探索和研 究新型光电器件的重要手段,探索解决能源危机的 新途径. 2 实验结果和理论分析 我们用激光分子束外延技术制备了一系列不同 厚度的 La0.9Sr0.1 MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3 (LSMO/ ·523· 激光发明50周年专题
激光发明50周年专题 SNTO)钙钛矿氧化物p-n异质结.样品的制备工 100个原胞层 艺在文献[16,17,21-23]中有详细报道.X射线 衍射(XRD)0-20扫描结果表明,我们所制备的氧 化物异质结具有很好的结晶性,并且表面非常平整 50个原胞层 LSMo t 250 r 截面高分辨透射电子显微成像( HRTEM)说明,钙 10个原胞层 钛矿氧化物异质结的界面具有完美的排列取向.另 外我们在室温下通过脉冲调制的电流源测试了钙 5个原胞层 钛矿氧化物异质结的电流一电压(Ⅰ一V)特性,结果 表明,异质结具有典型p-n结的整流特性,通过测 量薄膜或衬底电极之间的电压一电流特性,证实了 整流特性来源于异质结的特性 时间/ns 2.1钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应研究 图1LSMO层厚度不同的LSMO/SNTO异质结的纵向开路 我们测量了LSMO层厚度不同的LSMO/ 光电压随时间的变化关系.插图为纵向光电效应的测量示意.图 SNTO异质结的纵向光电效应,测量的示意图如图 1中的插图所示1,我们用XeCl准分子激光束(波n区(SNTO)价带中的光生空穴就会漂移到p区 长为308m,脉宽为20ns,辐射能量为0.15mJ,单LSMO),其过程如图2中过程2所示这样,光生 脉冲的重复周期为5分钟,以避免热效应)辐照 电流就在相反的方向产生了,光生电压在钙钛矿氧 p-LSMO的表面上直径为0.5mm的圆形小区域在化物p-n异质结的正向方向上产生了 室温下,用500MHz的取样示波器(输入阻抗为 SNTO 1Ma)测量并记录下 P-LSMO表面和SNTO衬底 E o空穴 钢电极之间的纵向光生电压.图1给出了LSMO层 厚度不同的LSMO/SNTO异质结的纵向开路光生 电压随时间的变化关系曲线.LSMO层厚度为5个 原胞层(~2nm)、10个原胞层(~4nm)、50个原胞 层(~20nm)和100个原胞层(~39nm)厚的 LSMO/SNTO异质结的开路电压的最大值分别为 2,13,17和21mV.开路电压的最大值随着异质结 的LSMO层的厚度增加而增大,其原因可以解释如 (b) LSMO SNTO 下:当用波长为308nm的激光(~4.0eV)照射 o空穴 LSMO/SNTO异质结时,光子能量大于异质结材料 的带隙,光子被异质结吸收.根据计算出的LSMO 和SNTO的吸收系数可以看出[2,一部分光子可 以透射过LSMO层被SNTO衬底吸收 经上述分析,类似我们以前报道过的t处理方 法,我们计算出了LSMO/SNTO异质结的能带结 构图(见图2(b)21),并在图中标出了载流子运动的图2超薄LSMO层(a)和一般薄LSMO层(b)的LSMO/ 示意图.图2(a)是我们依据计算所得的能带图(图 SNTO异质结的能带结构图和载流子运动示意图.水平轴对应 (b))示意画出的超薄膜的能带图(当薄膜厚度小于 于空间电荷区的生长方向.图引自文献[21 耗尽区厚度时不能简单应用自洽计算方法)当能量 通过计算,得出了LSMO/SNTO异质结在空间 大于带隙E的光子照射异质结时,价带中的电子电荷区的内建电场分布,如图3中的实线所示在 吸收光子后跃迁到导带,其过程如图2中过程1所异质结界面处的内建电场的绝对值为47kV/mm 示,这样,在异质结的空间电荷区产生了空穴一电子从图3中我们不难看出,在该异质结中,LSMO层的 对.在异质结内建电场的作用下,在p区(LSMO)导空间电荷区,即耗尽区厚度约为30mm.薄的LSMO 带中的光生电子就会漂移到n区(SNTO),而在SNTO异质结的内建电场分布也在图3中用点线 524 http://www.wuliaccn 物理·39卷(2010年)8期
http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2010年)8期 SNTO)钙钛矿氧化物 p-n异质结.样品的制备工 艺在文献[16,17,21—23]中有详细报道.X 射线 衍射(XRD)毴-2毴扫描结果表明,我们所制备的氧 化物异质结具有很好的结晶性,并且表面非常平整. 截面高分辨透射电子显微成像(HRTEM)说明,钙 钛矿氧化物异质结的界面具有完美的排列取向.另 外,我们在室温下通过脉冲调制的电流源测试了钙 钛矿氧化物异质结的电流-电压(I-V)特性,结果 表明,异质结具有典型p-n结的整流特性,通过测 量薄膜或衬底电极之间的电压-电流特性,证实了 整流特性来源于异质结的特性. 2.1 钙钛矿氧化物异质结的纵向光电效应研究 我们 测 量 了 LSMO 层 厚 度 不 同 的 LSMO/ SNTO 异质结的纵向光电效应,测量的示意图如图 1中的插图所示[21].我们用 XeCl准分子激光束(波 长为308nm,脉宽为20ns,辐射能量为0.15mJ,单 脉冲 的 重 复 周 期 为 5 分 钟,以 避 免 热 效 应)辐 照 p灢LSMO的表面上直径为0.5mm 的圆形小区域.在 室温 下,用 500MHz的 取 样 示 波 器 (输 入 阻 抗 为 1M毟)测量并记录下 p灢LSMO 表面和 SNTO 衬底 铟电极之间的纵向光生电压.图1给出了 LSMO 层 厚度不同的 LSMO/SNTO 异质结的纵向开路光生 电压随时间的变化关系曲线.LSMO 层厚度为5个 原胞层(~2nm)、10个原胞层(~4nm)、50个原胞 层 (~20nm)和 100 个 原 胞 层 (~39nm)厚 的 LSMO/SNTO 异质结的开路电压的最大值分别为 2,13,17和21mV.开路电压的最大值随着异质结 的 LSMO 层的厚度增加而增大,其原因可以解释如 下:当 用 波 长 为 308nm 的 激 光 (~4.0eV)照 射 LSMO/SNTO 异质结时,光子能量大于异质结材料 的带隙,光子被异质结吸收.根据计算出的 LSMO 和SNTO 的吸收系数可以看出[21],一部分光子可 以透射过 LSMO 层被SNTO 衬底吸收. 经上述分析,类似我们以前报道过的[24]处理方 法,我们计算出了 LSMO/SNTO 异质结的能带结 构图(见图2(b)[21]),并在图中标出了载流子运动的 示意图.图2(a)是我们依据计算所得的能带图(图2 (b))示意画出的超薄膜的能带图(当薄膜厚度小于 耗尽区厚度时不能简单应用自洽计算方法).当能量 大于带隙 Eg 的光子照射异质结时,价带中的电子 吸收光子后跃迁到导带,其过程如图2中过程1所 示.这样,在异质结的空间电荷区产生了空穴-电子 对.在异质结内建电场的作用下,在p区(LSMO)导 带中的光 生 电 子 就 会 漂 移 到 n 区 (SNTO),而 在 图1 LSMO 层厚度不同的 LSMO/SNTO 异质结的纵向开路 光电压随时间的变化关系.插图为纵向光电效应的测量示意.图 引自文献[21] n区(SNTO)价带中的光生空穴就会漂移 到 p 区 (LSMO),其过程如图2中过程2所示.这样,光生 电流就在相反的方向产生了,光生电压在钙钛矿氧 化物p-n异质结的正向方向上产生了. 图2 超 薄 LSMO 层 (a)和 一 般 薄 LSMO 层 (b)的 LSMO/ SNTO 异质结的能带结构图和载流子运动示意图.水平轴对应 于空间电荷区的生长方向.图引自文献[21] 通过计算,得出了 LSMO/SNTO 异质结在空间 电荷区的内建电场分布,如图3 [21]中的实线所示.在 异质结界面处的内建电场的绝对值为47.1kV/mm. 从图3中我们不难看出,在该异质结中,LSMO 层的 空间电荷区,即耗尽区厚度约为30nm.薄的 LSMO/ SNTO异质结的内建电场分布也在图3中用点线示 ·524· 激光发明50周年专题