SrTiO3中氧空位的正电子湮没研究

钛酸锶钡[(Ba,Sr)TiO₃] (BST)由于其高介电常数，在高密度动态随机存取存储器中是一种很有前途的电容器材料。使用BST的金属氧化物半导体电容器的电气性能，如泄漏电流、介电响应和电阻退化，已经得到了广泛的研究，人们经常认为BST中的氧空位在这些性能的退化中起着重要作用。钛酸锶（SrTiO₃）是最常见的钙钛矿型金属氧化物之一，在过去40年中，人们对其缺陷行为进行了研究。然而，由于缺乏对亚表面缺陷敏感的技术，在钛酸锶（SrTiO₃）亚表面区域或其薄膜中直接观察空位型缺陷仍然很困难。正电子湮没是研究氧化物和半导体中缺陷的一种成熟技术。在传统的正电子湮没实验中，高能正电子(≤0.54MeV)从²²Na中释放出的能量被注入样品中。由于这种正电子的最大穿透深度约为0.1毫米，因此可以获得有关体性质的信息。然而，通过使用慢/单能正电子束，正电子的注入剖面可以通过将正电子加速到所需能量来调整到样品中的感兴趣区域。一般来说，正电子的入射能量从几个电子伏到30-50keV不等，正电子取样的区域从表面到深度可以在微米量级上变化。

在本研究中，用正电子湮没法研究了SrTiO₃衬底上均匀外延生长薄膜时引入的氧空位。在不使用氧化剂的情况下，通过分子束外延生长SrTiO₃薄膜。测量了不同生长条件下制备的SrTiO₃样品的湮没辐射的多普勒展宽谱，作为入射正电子能量的函数。研究发现，与正电子在衬底中的湮灭相对应的线形参数S随着薄膜的生长而增加。这种增加归因于氧从衬底扩散到薄膜中，并由此在衬底中引入氧空位。在衬底上发现了两种不同类型的缺陷：一种是多氧空位，如氧双空位，另一种是它们与Sr空位的复合物。随着生长过程中衬底温度的降低（≤320℃），亚表面区域的氧空位浓度增加。这一事实归因于低温下氧扩散长度的减少，以及由此在地下区域积累的氧空位。

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