(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构的导电机理

朱晖文姜平王顺利毛凌峰唐为华†

1)(浙江理工大学物理系，光电材料与器件中心，杭州310018)

2)(苏州大学电子信息学院，苏州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超晶格结构的导电机理

朱晖文1)姜平1)王顺利1)毛凌峰2)唐为华1)†

1)(浙江理工大学物理系，光电材料与器件中心，杭州310018)

2)(苏州大学电子信息学院，苏州215021)

(2010年2月24日收到;2010年3月22日收到修改稿)

利用射频磁控溅射的方法在SrTiO3(001)基片上制备了(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构.对所制备的超晶格结构进行了50—150℃温度范围内的电流-电压测试分析.结果表明，随着BiFeO3薄膜的厚度减小，温度的升高，(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构的电流变大.进一步根据介质导电模型对(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构的导电特性做了分析.在温度较低或者电场较弱时，所制备的(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构表现为欧姆导电，而在高温，高电场的情况下，其导电行为由空间电荷限制电流机理主导.

超晶格薄膜，多铁，空间电荷限制电流

PACC:7300，7780，7220

1. 引言

多铁性材料不但具备各种单一的铁性(如铁电性、铁磁性)，而且通过铁性的耦合作用而具有一些新的复合效应，使其在信息储存、自旋电子器件方面，磁传感器以及电容-电感一体化器件方面都有极其重要的应用前景［1—3］.但是目前发现的多铁材料大多居里温度较低，而BiFeO3(BFO)是少数室温下同时具有铁电性和反铁磁性的材料之一，其在室温下同时具有两种结构有序，铁电有序(TC=1103 K)和G型反铁磁有序(TN=643 K)［4］，因而被广泛研究.已有关于BiFeO3存储器应用等方面的报道［5］.

钙钛矿结构稀土掺杂锰氧化物R1－xAxMnO3(R =La，Pr，Nd;A=Ca，Sr，Ba)因其独特的电、磁及结构相变特性而受到科学界与工业界的广泛关注.这类锰氧化物在各种记录装置、传感器、红外探测器中均有着广泛的应用前景［6，7］.我们以前的工作表明，因为其结构相似，可以制备出BiFeO3晶体结构与钙钛矿结构稀土掺杂锰氧化物外延异质结器件［8］.在此基础上研究铁磁/反铁磁/铁磁(FM/ AFM/FM)三明治结构的隧道磁阻和隧道电阻［9—11］，及其磁电耦合作用具有重要的理论和实际意义.

然而，众所周知BiFeO3有很大的漏电问题，这也限制了其多方面的实际应用［12—14］.理论研究表明，BiFeO3的带隙宽度为2.8 eV［15］，因而漏电不是其本征特性，应该是薄膜制备过程中的缺陷，非化学计量比等因素造成的.可以通过化学掺杂的方式来减小其漏电.另外，Ranjith等人［16］研究了BiFeO3/ SrTiO3超晶格，发现其漏电也有很大程度的改善.据我们所知，目前国际上还没有关于(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构电学性质研究的报道.在对(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构做进一步研究前有必要对其导电机理做深入的探讨.

本文在以前制备(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构工作的基础上［8］，采用高纯La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)靶和BiFeO3(BFO)靶通过射频磁控溅射方法在SrTiO3(001)单晶衬底上制备出(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构，测试在不同温度下的电流-电压曲线，研究(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构的导电机理.

2. 实验

采用合肥科晶公司制造的高纯La0.7Sr0.3MnO3靶和BiFeO3靶通过磁控溅射方法，在5mm×10mm大小的SrTiO3(001)(STO)单晶衬底上沉积单层La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜，厚度33nm，然后用硅片遮住一半La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜区域.接着沉积相同周期厚度(40nm)，不同LSMO和BFO厚度的两种超晶格结构(均为10个周期)，1) 20nm(LSMO)，20nm(BFO)，称为L20;2)24nm (LSMO)，16nm(BFO)，称为L24.顶层再沉积单层La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜，厚度也为33nm.实验细节参见以前的工作［8］.最后在底层LSMO(被硅片遮住部分)和顶层LSMO上涂银导电胶做电极接触以进行电学测量.电流-电压测试在Keithley 4200上进行.

3. 结果及讨论

3.1. 电流-电压特性

图1所示是测得的L20和L24样品的电流-电压关系曲线.随着温度的上升，两种样品的电流均变大.

图1 L20和L24样品的电流-电压关系曲线(a)在50，100，150℃下L20样品的电流-电压曲线，随着温度的升高，电流增大;(b)在50，100，150℃下L24样品的电流-电压曲线，随着温度的升高，电流也随之增大

超晶格结构的电阻可以等效成由若干个LSMO子层和BFO子层电阻组成的串联电路，其总电阻可以用如下公式表示

其中n为薄膜子层层数，L表示薄膜子层厚度，S表示电极面积，ρL和ρB分别表示LSMO子层和BFO子层的电阻率.ρL和ρB都随着温度的升高而降低［8］，因此，L20和L24样品的总电阻也随之变小.这样在一定的外加偏压下，其电流也随着温度的升高而变大.

对比L20和L24样品的电流-电压关系曲线可以看到L20样品的电流比L24样品的电流小(参见图2).由前述公式可知，L20和L24样品的总电阻之差为

而(LL24－LL20)=－(LB24－LB20)，这样，ρL<ρB就导致L20样品的总电阻大于L24样品的总电阻，因而其电流较小.

图2 在50，100，150℃下L20样品和L24样品的电流-电压的对比，L24样品的电流比同样温度下的L20样品的电流大

另外，也可以这样来理解这两个样品的电流差别.在高于290K的时候，La0.7Sr0.3MnO3表现出p型半导体特性［8］，这样在BFO两边均是导电材料，而La0.7Sr0.3MnO3和BFO之间是靠隧穿效应进行传输［10］.BFO越厚，隧穿越难，从而BFO较厚的L20样品的电流比L20样品的电流小.

进一步比较L20和L24样品的正、反向偏压的电流-电压关系可以看到，其反向的电流大于正向的电流，对于L24样品来说，这种差别更加明显(参见图3).如前所述，在高于290K时，La0.7Sr0.3MnO3表现出p型半导体的特性，这样，在其与银电极之间就形成一个金属-半导体接触(参见图4，其中参数取自文献［15，17，18］等)，在顶电极加负的偏压时，流经两个样品的电流相应较大，而在顶电极加正的偏压时电流较小，这两个超晶格结构样品表现出整流特性.对于BFO较薄的L24样品，因为隧穿难度较小，从而其正、反向的电流差别更明显.但是，两个样品的整流特性都比较弱.另外，此正、负偏压导致的电流差别还受La0.7Sr0.3MnO3与BFO之间两个p-n结的影响，最后所得到的L20和L24样品的电流-电压关系是热电子、隧穿等多种效应的综合表现.

3.2. 导电机理分析

图3 (a)L20样品在温度为50，100，150℃时，正、负偏压下电流-电压的对比;(b)L24样品在温度为50，100，150℃时，正、负偏压下电流-电压的对比.F为顶电极相对底电极加正偏压;R为顶电极相对底电极加负偏压

图4 Ag与LSMO形成金属-半导体接触的示意图.无外偏压情形，未按比例，图中各符号取通常意义.Ag的功函数为4.88 eV，LSMO的带隙大小为1 eV，电子亲和能为3.95 eV，其形成的势垒高度qΦBn=0.07 eV

铁电薄膜的漏电分析对铁电薄膜的应用相当重要，也已经有了很长的历史.绝缘薄膜的导电机理主要有三种:肖特基机理(Schottky)［19］、普尔-富兰克林机理(Poole-Frenkel)和空间电荷限制电流机理(space-charge-limited current)［20，21］.其中，肖特基机理是由于材料与电极界面势垒形成而导致的界面现象.而另外两种都起因于材料的体内［22，23］.在空间电荷限制电流机理中，电流-电压曲线可以分为三个阶段，当电场强度E较小时，它们受Ohm’s law的限制，I∝J∝E，此时的导电主要由热电子所引起;当电场强度E为中等强度时它们受trap filled limit的限制，I∝J∝Eα(α为正数)，此时的电流-电压曲线上会有一个电流的陡峭上升;而当电场强度E更高时它们受Child’s law的限制，I∝J∝E2［24，25］.L24和L20样品的lnI-lnV曲线示于图5中.对于L24样品，在所加电压较大时，对不同温度所测的电流-电压数据拟合，其指数α均大于1但是小于2.这是受空间电荷限制电流机理主导的行为.而L20样品中的导电机理比较复杂.在150℃时，其指数α比1略大，也是受空间电荷限制电流机理主导的行为.在100℃时，其指数α近似于1，是欧姆导电行为.而在更低的50℃时，在中等及较大的电压范围内，是欧姆导电.可以简单比较一下本文的样品和Ranjith等人关于BiFeO3/SrTiO3的工作［16］.SrTiO3的带隙大小为3.2 eV，而La0.7Sr0.3MnO3带隙大小约为1 eV，因而BiFeO3/SrTiO3的漏电流相对较小，这也是可以预期的.

图5 (a)L24样品在50，100，150℃下的lnI-lnV散点图，直线为线性拟合曲线，对应三个温度下的斜率分别为1.26，1.25和1.17;(b)L20样品在100，150℃下的lnI-lnV散点图，直线为线性拟合曲线，对应两个温度下的斜率分别为1.05和1.16;(c)L20样品在50℃下的电流-电压散点图，直线为线性拟合曲线

4. 结论

利用射频磁控溅射的方法在SrTiO3(001)基片上制备了(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构.对所制备的超晶格结构进行了50—150℃温度范围内的电流-电压测试分析.结果表明，(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n的导电机理与BFO薄膜的厚度，所加的电压以及温度等有关.随着BFO薄膜的厚度减小，温度的升高，超晶格样品的漏电变大.结合通常的介质导电模型对所测得的电流-电压数据进行分析，可以看到温度和电场对其导电机理有很大影响.在温度较低或者电场较弱时，所制备的(La0.7Sr0.3MnO3)m(BiFeO3)n超晶格结构表现为欧姆导电，而在高温，高电场的情况下，其导电行为由空间电荷限制电流机理主导.

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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

*国家自然科学基金(批准号:50672088)和浙江省自然科学基金杰出青年研究团队(批准号:R4090058)资助的课题.

†通讯联系人.E-mail:whtang@zstu.edu.cn