确定新奇电子表面态存在的方法及其应用与流程

1.本发明涉及电子检测方法，具体涉及一种确定新奇电子表面态存在的方法及其应用。


背景技术：

2.近年来，研究人员发现某些固体材料界面呈现出体相不存在的新奇电子行为，这种新奇电子具有能够抵抗固体材料中的缺陷所带来的散射阻碍的特性，使固体材料在缺陷的作用下仍能够保持导电行为不被改变，研究人员把这种新奇电子在固体材料表面局域的电子态称作新奇电子表面态。由于具有新奇电子表面态的固体材料具有异于一般固体材料的特性，使得其在电子学和电子学器件中具有较高的应用价值。因此，如何确认固体材料界面是否存在新奇电子表面态，成为新奇电子表面态相关研究的前提和重点。
3.传统的新奇电子表面态的检测方法主要采用光电子能谱，随着更为便捷的角分辨光电子能谱(简称appes)在新奇电子表面态的检测中的应用，在新奇电子表面态的检测中，光电子能谱已逐渐被appes所取代。
4.然而，由于固体材料的电子表面态的存在，使得采用appes设备检测固体材料界面的新奇电子表面态对检测的条件要求较高：1)对薄膜样品的质量要求极高，待测固体材料的表面的平整度至少要达到皮米级。2)appes设备进行测量时样品须处于低温环境(例如通过配备液氦降低测试环境的测试温度)，且在检测过程中需要对样品进行多自由度角度调整。
5.为了满足采用appes设备检测新奇电子表面态的检测条件：一方面需要提供高质量的样品；另一方面需要增加更多用于appes设备的辅助配件，以满足appes设备对检测时对低温和运动自由度的要求，提高测试精度。而且，由于appes设备的造价较高，对检测人员的操作要求较高，一般需要专业的检测人员操作。以上这些采用appes设备检测新奇电子表面态的条件，使得新奇电子表面态的检测成本较高、效率较低。


技术实现要素：

6.为解决新奇电子表面态检测需要耗费较高成本，以及检测效率较低的问题，发明人在长期的研究和实验中发现：一般的金属导体材料随着温度的递增或递减会出现金属-绝缘体转变，在金属导体未转变至绝缘体前，其呈现金属特性，在金属导体转变至绝缘体之后，其呈现绝缘体特性，且当在该金属导体中注入惰性气体离子后，注入的离子作为金属导体中的缺陷，增强了其中电子的散射，使其呈现绝缘体特性；而对于具有新奇电子表面态的金属导体，注入的惰性气体离子在其中形成的缺陷无法影响新奇电子的散射，使得其随温度的变化一直呈现金属特性。而且，通过检测金属导体材料的磁阻特性可以确定其是否具有电子表面态。通过对原始样品注入惰性气体离子，得到注入样品，对注入样品采用输运特性和磁阻特性相结合的测试方法，可以确定原始样品是否具有电子表面态，以及是否具有新奇电子表面态。由此，根据本发明的一个方面，提供了一种确定新奇电子表面态存在的方
法。
7.该确定新奇电子表面态存在的方法包括以下步骤：
8.测试原始样品的输运特性和磁阻特性；
9.将直径不大于氩(ar)的惰性气体离子注入原始样品中，得到注入样品，其中，原始样品中含有金属元素；
10.测试注入样品的输运特性和磁阻特性，根据测试结果(即原始样品的输运特性和磁阻特性的测试结果，以及注入样品的输运特性和磁阻特性的测试结果)中输运特性呈现金属特性和磁阻特性在小场下存在尖峰判断原始样品存在新奇电子表面态，根据测试结果中输运特性呈现绝缘体特性和磁阻特性在小场下不存在尖峰中的至少一个测试结果判断原始样品不存在新奇电子表面态。
11.注入原始样品中的离子采用直径不大于ar的惰性气体离子，一方面可以避免因注入离子的直径较大，造成原始样品的破坏，另一方面可以由于注入原始样品中的惰性气体离子不带电荷，不会在原始样品中带入电子或空穴，避免影响原始样品的新奇电子表面态；由此可以保证结合原始样品和注入样品的输运特性和磁阻特性的测试，能够确定原始样品是否存在新奇电子表面态，其中，具有新奇电子表面态的原始样品和注入样品在测试磁阻特性时，磁阻特性的测试结果显示其在小场下存在尖峰，是由于载流子在二维表面运动所产生的，表明原始样品和注入样品均具有电子表面态。
12.本发明开创了一种无需借助appes设备就能确定新奇电子表面态的方法，测试环境无需在低温环境下进行，也无需在原始样品具备运动自由度的情况下对其进行测试，在降低测试成本的同时，减少测试对专业测试人员的依赖程度。
13.在一些实施方式中，原始样品和注入样品为单晶或外延薄膜。以保证原始样品和注入样品具有较高的质量，以保证测试的准确性。优选的，原始样品和注入样品的表面的平整度在皮米级以上。由此，可以进一步提高原始样品和注入样品的质量，以进一步提高测试的准确性。优选的，原始样品和注入样品的表面需要保持无污染、无杂质。
14.在一些实施方式中，原始样品具有强自旋轨道耦合效应。由于在具有强自旋轨道耦合效应的原始样品中，电子自旋的磁矩和因电子轨道运动而产生磁矩间的相互作用较强，易在这类材料的界面处诱导出特性易于一般电子的特性的新奇电子。
15.在一些实施方式中，原始样品为采用复杂氧化物薄膜。示例性的，采用sriro3、naoso3、sr2iro4、cd2os2o7或nd2ir2o7等材料制成的复杂氧化物薄膜。复杂氧化物由于电荷、自旋轨道和自旋自由度之间的复杂相互作用，更易在其界面处诱导出新奇电子；而且，当复杂氧化物薄膜为外延薄膜时，由于复杂氧化物薄膜的晶体结构不可避免的受生长衬底的影响，使得复杂氧化物薄膜在电荷、自旋轨道和自旋自由度之间的复杂相互作用下，形成了更加丰富的电子表面态，使得采用例如appes等常用测试手段对其新奇电子表面态测试时操作更加复杂，而采用本发明的方法确定外延复杂氧化物薄膜的新奇电子表面态时，不受外延复杂氧化物薄膜丰富的电子表面态的影响，即本发明的方法在测试对象为外延复杂氧化物薄膜时，其具有更加突出的优势。
16.在一些实施方式中，注入样片中，惰性气体离子在沿注入样品的厚度方向呈高斯分布。以保证惰性气体离子有效注入原始样品中。
17.在一些实施方式中，惰性气体离子的注入剂量范围为8
×
10
14
a/cm2～3.5
×
10
15
a/
cm2，其中，a为氦(he)、氖(ne)或氩(ar)。由此，可以在保证惰性气体离子能够有效地注入原始样品中的同时，避免因注入剂量过大导致注入样品非晶化。优选的，惰性气体离子he离子。以尽可能减小注入离子对原始样品的破坏。示例性的，原始样品为外延sriro3薄膜，且其厚度小于或等于50nm；惰性气体离子的注入能量小于或等于5kev。
18.在一些实施方式中，惰性气体离子注入原始样品的注入角度与原始样品的法线不重合。以避免注入原始样品中的惰性气体离子在其中引起沟道效应，影响注入样品的输运特性和磁阻特性的测试结果，导致无法通过输运特性和磁阻特性的结合判断是否存在新奇电子表面态。
19.根据本发明的另一方面，将前述确定新奇电子表面态的方法用于确定具有强自旋轨道耦合的外延氧化物薄膜是否具有新奇电子表面态。
20.采用本发明的确定新奇电子表面态的方法在外延氧化物薄膜中注入直径不大于ar的惰性气体离子；然后，结合注入样品的输运特性和磁阻特性的测试，能够确定原始样品是否存在新奇电子表面态。无需借助appes设备的情况下就能确定原始样品是否具有新奇电子表面态，为确认具有强自旋轨道耦合的外延氧化物薄膜是否存在新奇的电子表面态提供了便利。
附图说明
21.图1为本发明一实施方式的确定新奇电子表面态存在的方法的流程结构示意图；
22.图2为原始样品与注入样品的输运特性测试结果图；
23.图3为不具有新奇电子表面态的外延薄膜的输运特性测试结果图；
24.图4为原始样品与注入样品的磁阻特性测试结果图，其中，图4中的e图为原始样品的磁阻特性测试结果图，图4中的f图为注入样品的磁阻特性测试结果图；
25.图5为不具有新奇电子表面态的外延薄膜的磁阻特性测试结果图；其中，图5中的g图为原始样品的磁阻特性测试结果图，图5中的h图为注入样品的磁阻特性测试结果图。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本文中所用的术语一般为本领域技术人员常用的术语，如果与常用术语不一致，以本文中的术语为准。
28.在本文中，术语“新奇电子”是指具有能够抵抗固体材料中的缺陷所带来的散射阻碍的特性的处于固体材料表面的电子，这种电子在固体材料中的缺陷的作用下，仍能够保持固体材料的导电行为不被改变。
29.在本文中，术语“缺陷”是指晶体缺陷，是指晶体内部结构完整性受到破坏的所在
位置，其主要包括点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。
30.在本文中，术语“新奇电子表面态”是指新奇电子在固体材料表面局域的电子态。新奇电子表面态属于电子表面态中的一种，但并不是所有具有电子表面态的固体材料都具有新奇电子表面态。新奇电子表面态主要存在于具有强自旋轨道耦合的单晶材料中。
31.在本文中，术语“电子表面态”是指固体表面上的原子由于其一面的化学键被切断，具有多余的未成键的电子。表面上原子的这种未饱和的键合力叫做悬键。这种表面局域的电子态叫做电子表面态。
32.在本文中，术语“自旋轨道耦合(spin-orbit coupling，简称soc)”又称自旋轨道相互作用，是指粒子的自旋与轨道动量的相互作用引起的轨道能级上的“细小”分裂。其中，“强自旋轨道耦合”是指具有较大自旋轨道耦合矩，这些材料例如ir、pt、pd、ta、w、hf、cubi、cuir、auw等重金属材料。
33.在本文中，术语“光电子能谱(photoelectron spectroscopy)”是指利用光电效应的原理测量单色辐射从样品上打出来的光电子的动能(并由此测定其结合能)、光电子强度和这些电子的角分布，并应用这些信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子结构的技术。
34.在本文中，术语“角分辨光电子能谱(angle resolved photoemission spectroscopy，简称arpes)”是指利用光电效应研究固体的电子结构，即一种利用一束光照射在样品表面，当入射光频率高于特定阈值(功函数)时，表面附近的电子会脱离样品成为自由电子的电子结构。
35.在本文中，术语“金属-绝缘体转变”是指金属导体变成不导电的绝缘体(或半导体)的物理转变或其逆转变。
36.在本文中，术语“金属特性”是指材料的电阻随温度降低而降低的特性。
37.在本文中，术语“绝缘体特性”是指材料的电阻随温度的降低而升高的特性。
38.在本文中，术语“输运特性”是指材料的电阻随温度变化的特性。
39.在本文中，术语“磁阻特性”是指材料的电阻随磁场变化的特性。
40.在本文中，术语“小场”是指磁感应强度的范围在-0.05t～ 0.05t磁场。
41.在本文中，术语“载流子”在半导体物理学中，是指电子流失导致共价键上留下的空位(空穴引)。半导体中的载流子有两种，即带负电的自由电子和带正电的自由空穴。
42.在本文中，术语“外延薄膜”是指通过外延生长获得的薄膜，也即在单晶衬底上生长的有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层。
43.在本文中，术语“复杂氧化物”是指由两种或以上同元素氧化物组成的氧化物，且至少含有一种过渡金属元素，复杂氧化物不是混合物。
44.在本文中，术语“沟道效应”是指离子注入固体中，固体是晶体，离子沿晶体的主晶轴方向注入时，它们可能与晶格原子发生相类似的碰撞(碰撞参数p近似相等)，各个碰撞互相有关，每次碰撞时，离子运动偏转很小，离子经过晶格同一排原子附近，可以穿透入固体中较深的距离，这种现象称为沟道现象。
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.根据本发明的一种实施方式的确定新奇电子表面态存在的方法。
47.该确定新奇电子表面态存在的方法包括以下步骤：
48.测试原始样品的输运特性和磁阻特性；
49.将直径不大于ar的惰性气体离子注入原始样品中，得到注入样品，其中，原始样品中含有金属元素；
50.测试注入样品的输运特性和磁阻特性，根据测试结果(即原始样品的输运特性和磁阻特性的测试结果，以及注入样品的输运特性和磁阻特性的测试结果)中输运特性呈现金属特性和磁阻特性在小场下存在尖峰判断原始样品存在新奇电子表面态，根据测试结果中输运特性呈现绝缘体特性和磁阻特性在小场下不存在尖峰中的至少一个测试结果判断原始样品不存在新奇电子表面态。
51.为了保证测试的准确性，优选的，注入样品需要具有较高的质量，高质量的内容包括：注入样品单晶或外延薄膜；注入样品的表面的平整度达到皮米级以上；优选的，原始样品和注入样品的表面需要保持无污染、无杂质。一般的，为了使注入样品具有较高的质量，原始样品也须具有较高的质量。
52.为了保证惰性气体离子有效注入原始样品中，优选的，控制注入样片中的惰性气体离子在沿注入样品的厚度方向呈高斯分布。进一步的，为了避免注入原始样品中的惰性气体离子在其中引起沟道效应，影响注入样品的输运特性和磁阻特性的测试结果，导致无法通过输运特性和磁阻特性的结合判断是否存在新奇电子表面态，控制惰性气体离子注入原始样品的注入角度与原始样品的法线不重合。更进一步的，为了保证惰性气体离子能够有效地注入原始样品中的同时，避免因注入剂量过大导致注入样品非晶化，将惰性气体离子的注入剂量范围控制在8
×
10
14
a/cm2～3.5
×
10
15
a/cm2，其中，a为he、ne或ar。
53.由于注入原始样品中的离子采用直径不大于ar的惰性气体离子，既不会造成原始样品的破坏，也不会在原始样品中带入电子或空穴，避免影响原始样品的新奇电子表面态，以保证结合原始样品和注入样品的输运特性和磁阻特性的测试，能够确定原始样品是否存在新奇电子表面态。本发明开创了一种无需借助appes设备就能确定新奇电子表面态的方法，测试环境无需在低温环境下进行，也无需在原始样品具备运动自由度的情况下对其进行测试，在降低测试成本的同时，减少测试对专业测试人员的依赖程度。
54.因为具有强自旋轨道耦合效应的材料具有新奇电子表面态的可能性很大，为了使该方法的使用更有意义，一般选用具有强自旋轨道耦合效应的材料作为原始样品。优选的，选用具有强自旋轨道耦合效应的材料中的复杂氧化物，例如sriro3、naoso3、sr2iro4、cd2os2o7或nd2ir2o7，这是因为复杂氧化物由于电荷、自旋轨道和自旋自由度之间的复杂相互作用，更易在其界面处诱导出新奇电子；而且，当复杂氧化物薄膜为外延薄膜时，由于复杂氧化物薄膜的晶体结构不可避免的受生长衬底的影响，使得复杂氧化物薄膜在电荷、自旋轨道和自旋自由度之间的复杂相互作用下，形成了更加丰富的电子表面态，使得采用例如appes等常用测试手段对其新奇电子表面态测试时操作更加复杂，而采用本发明的方法确定外延复杂氧化物薄膜的新奇电子表面态时，不受外延复杂氧化物薄膜丰富的电子表面态的影响。
55.优选的，惰性气体离子he离子，以尽可能减小注入离子对原始样品的破坏。示例性
的，原始样品为外延sriro3薄膜，且其厚度小于或等于50nm；惰性气体离子的注入能量小于或等于5kev。
56.图1示例性地显示了确定新奇电子表面态的方法的其中一种实施例，其包括以下步骤：
57.s10：测试原始样品的输运特性和磁阻特性；
58.s20：将直径不大于ar的惰性气体离子注入原始样品中，得到注入样品，其中，原始样品中含有金属元素；
59.s30：测试注入样品的输运特性和磁阻特性，得到测试结果，根据测试结果中输运特性呈现金属特性和磁阻特性在小场下存在尖峰判断原始样品存在新奇电子表面态，根据测试结果中输运特性呈现绝缘体特性和磁阻特性在小场下不存在尖峰中的至少一个测试结果判断原始样品不存在新奇电子表面态。
60.具体的，以确定外延sriro3(简称sio)氧化物薄膜是否存在新奇电子表面态为例，对确定新奇电子表面态的方法进行示例性说明：
61.实施例1
62.第一步，选取厚度为40nm的外延sio薄膜作为原始样品，并测试原始样品的输运特性和磁阻特性；
63.第二步，在原始样品中注入剂量为2.5
×
10
15
a/cm2，注入能量为5kev的he离子，得到注入样品；
64.第三步，测试注入样品的输运特性和磁阻特性。
65.测试结果如图2和图4所示，根据图2可知，外延sio氧化物薄膜原始样品的输运特性呈现金属-绝缘体转变，注入样品的输运特性呈现金属特性；根据图4可知，外延sio氧化物薄膜原始样品和注入样品的磁阻特性在小场下均存在尖峰。结合图2和图4的测试结果可知，外延sio氧化物薄膜存在新奇电子表面态。根据图3为不具有新奇电子表面态的外延lanio3薄膜的原始样品的输运特性呈现金属-绝缘体转变，注入样品的输运特性呈现绝缘体转变；以及图5为不具有新奇电子表面态的外延lanio3薄膜的原始样品和注入样品的磁阻特性在小场下均不存在尖峰，也能证明不同时具有金属转变和小场尖峰的材料不具有新奇电子表面态。
66.实施例2
67.本实施例与实施例1的不同之处在于第一步和第二步，具体为：
68.在第一步中，选取厚度为50nm的外延sio薄膜作为原始样品，并测试原始样品的输运特性和磁阻特性；
69.在第二步中，在原始样品中注入剂量为3.5
×
10
15
a/cm2，注入能量为5kev的he离子，得到注入样品。
70.实施例3
71.本实施例与实施例1的不同之处在于第二步，具体为：
72.在第二步中，在原始样品中注入剂量为8
×
10
14
a/cm2，注入能量为5kev的he离子，得到注入样品。
73.无论采取哪种实施例，外延sio薄膜均可采用以下方式生长得到：
74.在温度不高于640℃，氧压为不高于50mtorr的条件下采用脉冲激光法(简称pld)
生长外延sio薄膜，激光的波长是248nm(krf)，频率是4hz，能量为不高于1.6jcm-2
，使该激光轰击sio靶材，让sio原子沉积在以tio2为终止面的(001)方向的srtio3(sto)单晶衬底上，制备出符合厚度要求的外延sio薄膜。
75.也可以采用其他外延薄膜的制备方法，例如采用分子束外延(简称mbe)技术或其他更高端的外延薄膜制备方法，只要能够制备出高质量的外延薄膜即可。
76.根据本发明的另一方面，将前述确定新奇电子表面态的方法用于确定具有强自旋轨道耦合的外延氧化物薄膜是否具有新奇电子表面态。
77.采用本发明的确定新奇电子表面态的方法在外延氧化物薄膜中注入直径不大于ar的惰性气体离子，得到注入样品；然后，结合注入样品的输运特性和磁阻特性的测试，能够确定原始样品是否存在新奇电子表面态。这种应用在无需借助appes设备的情况下就能确定原始样品是否具有新奇电子表面态，为确认具有强自旋轨道耦合的外延氧化物薄膜是否存在新奇的电子表面态提供了便利。
78.以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。