分项计画3「铁电超晶格」期中进度报告子计画主持人赖志煌助理教授

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1、分項計畫3：「鐵電超晶格」期中進度報告               子計畫主持人:賴志煌助理教授賴志煌助理教授（C.H.Lai） 研究生：吳允中La1-xCaxMnO3之研究  ◎Totalpressure：15mTorr ◎rfpower：70W ◎O2/Arratio：0.2Substratetemperature550℃600℃650℃經由一連串的實驗我們發現，基板溫度必須要高於550℃，濺鍍出來的薄膜才會成為結晶態，基板溫度低於550℃著，成長出來的薄膜皆為非晶態。基板溫度越高，濺鍍出來的薄膜結晶性也越佳。從XR

2、Dθ-2θ掃描來看，隨著鍍膜時基板溫度的升高，La1-xCaxMnO3（001）、（002）繞射峰的相對強度也有增強的趨勢。因此在越高的溫度鍍膜，我們可以得到C軸取向越佳的薄膜。接著我們量測在不同的基板溫度下濺鍍的La1-xCaxMnO3薄膜，電阻率對溫度作圖。我們可以很清楚的觀察到，隨著溫度降低，La1-xCaxMnO3薄膜的電阻率呈現遞增的趨勢（dρ/dT＜0），是屬於絕緣體的導電行為，電阻溫度係數（TCR）為負值。 　   我們發現隨著基板溫度升高，薄膜的電阻率呈現下降的趨勢。室溫時三個試片的電阻率分別為：（550

3、℃12.35Ωcm）；（650℃1.10Ωcm）；（700℃0.79Ωcm）。電阻率差異的主要因素來自於晶界散射效應，因為鍍膜時基板溫度不同，我們會得到不同尺寸的晶粒，晶粒越小單位體積內的晶界面積會越大，晶界散射的效應會越顯著，因此電阻率會越大。經由掃描式電子顯微鏡分析的估計，其晶粒尺寸分別為：550℃→13nm；650℃→40nm；700℃→52nm。圖4-1.3基板溫度（a）550℃（b）650℃（c）700℃SEMtopview（a）550℃grainsize：13nm（b）650℃grainsize：40nm（c

4、）700℃grainsize：52nm 　                 我們將電阻率對溫度的變化的數據代入半導體傳導模型、小偏振子模型（smallpolaronmodel）去做計算，從實驗數據來看我們的實驗結果較符合小偏振子模型的傳導行為。當溫度高於TC時La1-xCaxMnO3為順磁性，從小偏振子模型的描述，其電阻率可表示為：                                                                                 (1)而根據TCR的定義：  

5、                                          (2)因此結合公式(1)(2)，我們可導出：TCR=(1/T)–(Ea/kT2)                                                                 (3)所以當Ea值越大時TCR值也會越大。接下來我們取㏑(ρ/T)對溫度的倒數作圖，其直線斜率大小即為Ea/k。在我們觀察到當晶粒尺寸越大時，其具有較低的Ea值，而從小偏振子模型（smallpolaronmodel）的描述，Ea值代

6、表偏振子跳躍到下一個位置所需的活化能。因此我們可以想像當偏振子在晶體中傳導，若晶體的晶粒越小，則晶界數目越多，偏振子傳導時會受到較大的阻力，所以會需要較大的活化能（Ea）。        目前我們鍍製的La1-xCaxMnO2還是屬多晶態，所以接下來的工作將著重於磊晶薄膜的製作。一般而言，這類磊晶薄膜的製作需要特殊的基板，如MgO、SrTiO3、LaAlO3。但這類基板的價格相當昂貴，所以中間層的想法就隨之而生，其中最成功的例子便是MgO在Si基板上磊晶。而MgO的高溫穩定度及擴散阻絕性，使其成為絕佳的中間層。但MgO有

7、易水解的缺點，為解決此問題，我們決定使用NiO。NiO與MgO具有相同的結晶結構(rocksalt)，相近的晶格常數(差異<1%)，且不會有水解的問題。故接下來的工作，我們將著重於新中間層NiO/Si的開發，並在開發成功後，將之用於La1-xCaxMnO2的磊晶薄膜製作。