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本论文工作中,对钙钛矿块材、薄膜及同质结的输运行为做了相应的理论计算。在渗流理论的基础上,对相分离材料La1-xTexMnO3块材、薄膜和La2/3Ca1/3MnO3薄膜的电阻率所呈现的金属-绝缘体转变、磁场诱导电阻率降低、热滞及各向异性电阻率现象进行了模拟。针对标准渗流模式虽能较好地模拟块材电阻率缓变的金属-绝缘体转变行为,但却不能获得薄膜电阻率在转变点附近的突变特性,提出了团簇渗流模式去模拟薄膜的电输运行为。进而又对钙钛矿材料所形成的SrTiO3同质p-n结进行研究,通过自洽求解泊松方程和载流子输运方程,得到了在不同偏压下该结的能带结构、电场和电荷密度分布及I-V曲线,并研究了在不同掺杂情况下I-V曲线的变化趋势。本论文工作的主要内容和结论为:
1、基于标准渗流模式,在随机网络模型中引入速度快、计算量小的广度优先算法,并给出包含有磁散射项的电阻率公式,定量计算出具有混合相特征的La1-xTexMnO3块材和薄膜电阻率随温度和磁场变化的曲线,并获得了与实验数据符合较好的数值结果。结果表明,外磁场降低了低温剩余电阻率、电子散射、磁散射及激活能,但不改变高温剩余电阻率。此外,研究了在斜切基片上生长的La2/3Ca1/3MnO3薄膜的各向异性电阻率特性,获得了与实验数据定量符合的模拟结果,表明沿斜切方向的电阻率有所增大。在磁化强度存在热滞的假设下,预言出相分离材料的电阻率也存在热滞效应。通过进一步的实验验证,发现在La2/3Ca1/3MnO3薄膜中的确存在电阻率的热滞效应,证实了我们的理论预言。所有结果表明该模型和方法的确可以用于混合相锰氧化物材料的渗流输运研究中。
2、标准渗流模式能较好地模拟块材电阻率所呈现的缓变的金属-绝缘体转变行为,但却不能获得La0.9Te0.1MnO3薄膜及La2/3Ca1/3MnO3薄膜材料在转变点附近的电阻率突变特性,因此我们提出了团簇渗流模式去模拟混合相薄膜材料的电输运行为。模拟的结果说明,团簇渗流模式的确能很好地反映出薄膜材料的渗流输运行为。表明随温度升高,薄膜中的顺磁团簇尺寸在增大,而团簇数目基本不变;进一步升高温度,这些大尺寸的顺磁团簇开始相连,从而导致铁磁团簇被隔离成不连通的状态,引起电阻率的突变。
3、基于漂移-扩散模型的一维稳态载流子输运方程,利用泊松方程及电子和空穴的电流连续性方程自洽迭代求解在外加偏压下SrTiO3同质结的电势、载流子浓度,得出了在不同偏压下的能带结构、电场分布、电荷密度分布。计算结果表明,在正向偏压下,p-n结的势垒有所降低,内建电场有所减弱且空间电荷区域在缩小;在反向偏压下,p-n结的势垒在增大,内建电场有所增强且空间电荷区域在扩大。理论计算所得到的I-V曲线与实验数据符合得较好。此外,还研究了不同受主掺杂浓度情况下,SrTiO3同质结I-V特性曲线的变化趋势,发现电流随掺杂浓度的增大而增大。计算结果表明该理论模型可作为一个研究工具去模拟钙钛矿氧化物器件的电输运行为。