钛酸锶单晶表面金属化的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸锶单晶表面金属化的制备方法，用于解决现有方法实现表面金属导电容易导致SrTiO3单晶表面污染的技术问题。技术方案是通过激光与物质的强相互作用导致在钛酸锶表面产生氧空位，通过调节氧压和激光能量密度，控制钛酸锶单晶表面的金属性。本发明专利技术通过改变氧压和准分子激光能量密度控制钛酸锶的金属性，不需要外延薄膜沉积就可使钛酸锶晶体呈现金属态，与背景技术氩离子轰击表面相比，该方法操作简便，无污染，能够多方位的控制钛酸锶表面的金属性，在未来电子器件领域有潜在的应用前景。

Preparation method of surface metallization of strontium titanate single crystals

The invention discloses a preparation method for surface metallization of strontium titanate single crystal, which is used to solve the technical problem that surface metal conduction in the existing method can easily lead to surface pollution of SrTiO3 single crystal. The technical scheme is to produce oxygen vacancies on the surface of strontium titanate by the strong interaction between laser and material, and to control the gold properties on the surface of strontium titanate single crystal by adjusting oxygen pressure and laser energy density. By changing oxygen pressure and excimer laser energy density to control the gold properties of strontium titanate, the strontium titanate crystal can be metallic without epitaxial film deposition. Compared with argon ion bombardment, the method is simple and pollution-free, and can control the gold properties of strontium titanate surface in many directions. There are potential applications in the field of electronic devices.

【技术实现步骤摘要】
钛酸锶单晶表面金属化的制备方法
本专利技术属于无机非金属材料和表面科学应用领域，特别涉及一种钛酸锶单晶表面金属化的制备方法。
技术介绍
在新兴的复杂氧化物体系电子学领域，钙钛矿结构过渡金属氧化物由于存在d电子自旋-轨道的交互作用以及与电荷、晶格等自由度的耦合和强关联性而拥有丰富的物理性能和新奇的现象，如高温超导特性、多铁性、反常霍尔效应和特大磁阻效应等。作为钙钛矿氧化物的一个典型代表，钛酸锶(SrTiO3)由于其具有大的带隙、稳定的性能、高的介电常数而被广泛研究，现已经成为氧化物电子学研究的热点材料之一。SrTiO3在室温下属于立方结构(空间群Pm3m)，晶格常数为Ti-O键长为Sr-O键长为氧八面体具有标准的90°。在温度为105K时，由于相邻氧八面体向相反方向有轻微扭转，使得SrTiO3出现从立方结构到四方结构(空间群I4/mcm)的转变，从间接半导体变为直接半导体，同时介电常数也急剧增大。在室温标准SrTiO3的禁带宽度为3.27eV。单晶SrTiO3已经被用作许多过渡金属氧化物外延生长的衬底。化学配比的SrTiO3是绝缘体，然而掺杂能够改变它的导电特性。通过氩离子轰击引入氧空位，能对SrTiO3实现掺杂，使表面呈现金属性。氩离子轰击时间越长，表面金属性越强。除了Ar+离子的轰击，当以La替代Sr、以Nb替代Ti或者其他组分后同样能够引进n型载流子使SrTiO3呈现金属性。另外通过高温退火，贵金属离子轰击和离子注入也可以使SrTiO3呈现金属导电态。另一方面，激光辐照和烧蚀已经成为微电子领域颇受关注的话题之一，因为该技术可用于制作各种类型的电路图案，也可以诱导表面金属化。通常，烧蚀过程主要取决于激光束的波长，能量和脉冲宽度。材料的激光烧蚀机制一般有两种：(1)由于材料表面对激光光子吸收引起的表面化学键断裂；(2)强烈的激光束照射导致表面热熔化所引起的原子喷溅。前者强调电子过程在消融中起重要作用，尽管温度升高可能同时发生并作出额外贡献。而对于后者，尽管光子主要通过电子跃迁被吸收，但一般认为表面的损伤主要是由于局部加热引起的熔化而导致的。文献“Blue-lightemissionatroomtemperaturefromAr+-irradiatedSrTiO3，NatureMaterials，2005，Vol4(11)，p816-819”公开了一种基于氩离子辐照SrTiO3单晶诱导表面金属性的方法。该方法利用氩离子轰击在SrTiO3单晶表面产生氧空位从而实现表面导电。通过控制氩离子辐照的时间来控制氧空位的数目进而控制SrTiO3单晶表面的金属性。该方法操作简便，能很好的控制SrTiO3单晶表面的导电性。但同时也会导致氩离子的不同程度地注入，导致表面氩离子残留，污染SrTiO3单晶。
技术实现思路
为了克服现有方法实现表面金属导电容易导致SrTiO3单晶表面污染的不足，本专利技术提供一种钛酸锶单晶表面金属化的制备方法。该方法通过激光与物质的强相互作用导致在钛酸锶表面产生氧空位，通过调节氧压和激光能量密度，控制钛酸锶单晶表面的金属性。本专利技术通过改变氧压和准分子激光能量密度控制钛酸锶的金属性，不需要外延薄膜沉积就可使钛酸锶晶体呈现金属态，与
技术介绍
氩离子轰击表面相比，该方法操作简便，无污染，能够多方位的控制钛酸锶表面的金属性，在未来电子器件领域有潜在的应用前景。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种钛酸锶单晶表面金属化的制备方法，其特点是包括以下步骤：步骤一、将钛酸锶单晶置于真空腔中聚透镜焦点与透镜之间，对真空腔抽真空至背底真空度，背底真空度为1×10-4～1×10-9Pa，再通入氧气调节进气阀以达到目标氧偏压，目标氧偏压为5×10-4～1×105Pa。步骤二、将激光器调至目标参数，即光子能量为5.0eV，激光波长为248nm，激光能量密度为250～650mJ/mm2。步骤三、开启激光器，照射钛酸锶单晶20～10800s，使钛酸锶单晶表面产生氧空位进而转变为金属态。所述激光器为氟化氪准分子激光器。本专利技术的有益效果是：该方法通过激光与物质的强相互作用导致在钛酸锶表面产生氧空位，通过调节氧压和激光能量密度，控制钛酸锶单晶表面的金属性。本专利技术通过改变氧压和准分子激光能量密度控制钛酸锶的金属性，不需要外延薄膜沉积就可使钛酸锶晶体呈现金属态，与
技术介绍
氩离子轰击表面相比，该方法操作简便，无污染，能够多方位的控制钛酸锶表面的金属性，在未来电子器件领域有潜在的应用前景。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术钛酸锶单晶表面金属化的制备方法的流程图。图2是本专利技术方法实施例1中利用准分子激光辐照实现SrTiO3(100)单晶金属态的电阻在不同氧压下随温度的变化曲线。图3是本专利技术方法实施例2中利用准分子激光辐照实现SrTiO3(100)单晶金属态的电阻在不同激光能量下随温度的变化曲线。图4是本专利技术方法实施例3中利用准分子激光在5×10-4Pa辐照SrTiO3(110)基片的电阻随温度的变化曲线；激光能量密度为500mJ/mm2。图5是本专利技术方法实施例4中利用准分子激光在5×10-4Pa辐照SrTiO3(111)基片的电阻随温度的变化曲线；激光能量密度为500mJ/mm2。具体实施方式以下实施例参照图1-5。实施例1：将SrTiO3单晶放置在真空腔聚透镜焦点与透镜之间，单晶晶面取向为(100)，晶体长宽高为5×5×0.5mm3，为真空腔抽真空至背底真空度1×10-4Pa，再通入氧气调节进气阀以达到目标氧压。本案例的目标氧压分别为1×105，5，5×10-2，5×10-4Pa。打开激光器，光子能量为5.0eV，激光波长为248nm，将激光能量密度调至500mJ/mm2，打开激光器挡板，照射SrTiO3单晶20s，使钛酸锶单晶表面产生氧空位进而转变为金属态。所述激光器为氟化氪准分子激光器。利用四端法测量SrTiO3单晶表面的方块电阻，其中SrTiO3单晶表面的电极使用超声焊铝线进行引线键合，间隔2mm。所制备的SrTiO3单晶置于液氮杜瓦系统，温度范围为15-300K，测得电阻温度曲线。从图2可以看出，随着氧偏压的减小，电阻温度曲线呈现了绝缘-金属转变，室温电阻从2.9×107Ω/sq.减小到1.0×103Ω/sq.。实施例2：将SrTiO3单晶放置在真空腔聚透镜焦点与透镜之间，单晶晶面取向为(100)，晶体长宽高为5×5×0.5mm3，为真空腔抽真空至背底真空度1×10-4Pa，再通入氧气调节进气阀以达到目标氧压。本案例的目标氧压为1×105Pa。打开激光器，光子能量为5.0eV，激光波长为248nm，将激光能量密度分别调至250，425，500，575，650mJ/mm2，打开激光器挡板，照射SrTiO3单晶4000s，使钛酸锶单晶表面产生氧空位进而转变为金属态。所述激光器为氟化氪准分子激光器。利用四端法测量SrTiO3单晶表面的方块电阻，其中SrTiO3单晶表面的电极使用超声焊铝线进行引线键合，间隔2mm。所制备的SrTiO3单晶置于液氮杜瓦系统，温度范围为15-300K，测得电阻温度曲线。从图3可以看出，所有SrTiO3单晶的电阻温度曲线均呈现金属行为，且随着激光能量密度的增大，SrTiO3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸锶单晶表面金属化的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将钛酸锶单晶置于真空腔中聚透镜焦点与透镜之间，对真空腔抽真空至背底真空度，背底真空度为1×10‑4～1×10‑9Pa，再通入氧气调节进气阀以达到目标氧偏压，目标氧偏压为5×10‑4～1×105Pa；步骤二、将激光器调至目标参数，即光子能量为5.0eV，激光波长为248nm，激光能量密度为250～650mJ/mm2；步骤三、开启激光器，照射钛酸锶单晶20～10800s，使钛酸锶单晶表面产生氧空位进而转变为金属态。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸锶单晶表面金属化的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将钛酸锶单晶置于真空腔中聚透镜焦点与透镜之间，对真空腔抽真空至背底真空度，背底真空度为1×10-4～1×10-9Pa，再通入氧气调节进气阀以达到目标氧偏压，目标氧偏压为5×10-4～1×105Pa；步骤二、将激光器调至目...

【专利技术属性】
技术研发人员：金克新，张兆亭，闫虹，王民，王拴虎，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61