具有受控氧化学计量比的外延 FeWO4 薄膜的生长与表征

我们报告了利用等离子体辅助分子束外延技术生长单相外延 FeWO 4 薄膜的研究，并探讨了其结构、光学和电学性质。FeWO 4 薄膜在 c 面蓝宝石 (0001) 衬底上沿 (100) 取向生长，并表现出 3 种旋转孪晶变体，其中 FeWO 4 001 与蓝宝石 100 等效面内方向对齐。X 射线衍射测量表明，在生长过程中对原子氧源施加 80–100 W 的射频功率时，外延 FeWO 4 (100) 结构达到最佳，所获得的薄膜具有最小的应变，且杂质相或其他取向极少。在以 120 W 射频功率生长的薄膜中，FeWO 4 微晶产生不均匀和均匀应变，并可能受到 Fe 3+ 氧化物相杂质的污染。在以 60 W 射频功率生长的薄膜中，FeWO 4 微晶未形成完全外延层。X 射线光电子能谱表明，结构变化与 Fe 3+ /Fe 2+ 氧化态比例随着射频功率从 60–120 W 从 0.6–1.4 增加相关。X 射线荧光光谱表明，Fe/W 组成比也随着射频功率从 60–120 W 从 1.1–1.8 增加。紫外和可见光吸收光谱表明，80–100 W 薄膜具有 1.8 ± 0.1 eV 的带隙，并在 3.1 ± 0.1 eV 处具有额外的带间吸收特征，在 60 W 薄膜中也观察到了类似的起始点。在 120 W 薄膜中，由于 Fe 3+ 富集，较高能级的跃迁移至 2.7 ± 0.1 eV。随着氧化程度加深，电阻率下降了 2 个数量级以上，从 60 W 薄膜中的 10 4 –10 5 Ω cm 降至 120 W 薄膜中的 120 ± 10 Ω cm。热电势测量表明，当氧化态从 100 W 薄膜中的 Fe 2+ 为主转变为 120 W 薄膜中的 Fe 3+ 为主时，导电类型由 p 型转变为 n 型。我们的结论是，由 Fe 3+ 驱动的电子极化子跃迁是过氧化 FeWO 4 薄膜中的主导输运机制和 n 型导电的来源。