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第 33 卷第 2 期2023年6月Vol.33 No.2Jun.2023湖 南 工 程 学 院 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan Institute of Engineering（Natural Science Edition）LaAlO3/SrTiO3异质结光存储特性模拟及电阻图像显示杨毅，段伟杰，洪彦鹏，肖文志（湖南工程学院 计算科学与电子学院，湘潭 411104）摘要：LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）界面上的二维电子气（2DEG）表现出许多新奇的特性，通过探究其中LAO/STO光电特性的电阻响应机制，发现了异质结与神经网络拥有相似的记忆曲线.通过试验模拟了光照对LAO/STO界面电阻率的影响，并与实际曲线相比较.通过LAO/STO在光照下的电阻率变化，又模拟了LAO/STO对光线形状、光线照射时间的响应，并进行电阻的图像显示.结果表明：LAO/STO异质结具有优异的光储特性，且可以有效进行电阻的图像显示.该项工作为LAO/STO异质结在新型光电子器件、图形图像显示装置以及人工智能器件等领域的应用提供了新的思路.关键词：LaAlO3/SrTiO3；界面效应；光电特性；二维电子气中图分类号：TP211+.5文献标识码：A文章编号：1671-119X（2023）02-0045-05收稿日期：2022-07-14基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（2021JJ30179）.作者简介：杨毅（1998-），男，硕士研究生，研究方向：功能电子材料及器件.通信作者：肖文志（1974-），男，博士，教授，研究方向：低维磁性材料.0 引言近年来，LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）二维界面受到了广泛关注，从其异质结构上能够观察到铁电、光导、金属-绝缘体相变等一系列性质共存1-5.此外，在LAO/STO二维界面上还发现了暂态光电导效应、持续光电导效应以及两者共存的多种光电物理特性6-10.这些性质进一步展现了 LAO/STO等二维材料在未来材料领域中的潜在价值，其中光电导效应是LAO/STO二维材料研究的一大热点.目前，已有许多文献解释了二维电子气的起源和形成原因.广泛被研究人员所接受的理论有三种：极化灾难理论11-12、氧空位理论13以及界面离子扩散理论14.这三种理论各自解释了产生二维电子气的原因，相互取长补短地解释了界面的传导性以及输运特性的厚度依赖性、临界厚度、门电压的可调节性等现象，为二维电子气中这些新奇特性能够共存给出了合理的解释.但由于没有一个能让所有人共同接受的理论体系，关于二维电子气的起源仍在不断的探索中.该理论的完善对将二维电子气的新奇特性运用到新型功能器件设计上至关重要.本文对于 LAO/STO 中光电导特性所产生的物理现象进行研究15.由于LAO/STO二维电子气具有光电导特性，在其上施加一定时间的光照，其电阻阻值能够发生变化，且能够如同忆阻器一样，在一定时间内保持这个变化.基于此，本文提出一种 LAO/STO 二维电子气的新应用，运用了模拟LAO/STO单元的方式实现对其照射光形状、照射时间的记录.这种光存储技术，在以往的文献中鲜有报道，对研究新型场调控光电探测器件方面具有潜在的应用价值.1 实验部分异质结具有各种新奇特性的根本原因是其具有二维电子气，二维电子气上的氧空位位置的变化、载流子浓度的改变以及光生载流子的产生均会DOI:10.15987/ki.hgbjbz.2023.02.0062023年湖南工程学院学报（自然科学版）造成异质结物理性质发生变化.实验用的 LAO/STO异质结二维材料具有电导性，其导电性一般被认为来源于 LAO/STO 界面层中电子型载流子的跃迁16.实验在其二维界面上改变电阻（或电导），实际上是通过光的照射改变了二维电子气中光生载流子的浓度，通过光生载流子浓度的上升或下降来调节异质结的电阻变化.通过模拟LAO/STO二维界面光照、暗处理来改变其电阻率，还原实验15-16.根据文献中所记述的内容在 LAO/STO 界面上进行电阻曲线的拟合16，合理地设计了光照曲线和暗处理曲线：y=|Rm(11+e-Ri-12),暗处理Rm2e-Ri,光照（1）式（1）中，Rm代表 LAO/STO 二维电子气的可变化的最大电阻值；、分别表示激励因子和衰减因子，表示其电阻在光照和暗处理下的电阻变化程度；Ri代表当前第i次刺激后的电阻值，暗处理和光照进行的时间长度设定为 i，该设定和神经网络的遗忘曲线类似，在Ri条件下生成的y，均为下一次的刺激Ri+1.参考以前的光照实验15，实验数据如图 1（a）所示，对式（1）进行图像模拟.实验对LAO/STO二维界面进行反复的光照处理和暗处理，以40 s为时间间隔.在实验开始前，对 LAO/STO 单元进行较长时间的光照处理，使其电阻值降至最低，电导值为最高值.如图1（b）的起始点0秒时的电导值所表示的，实验设定LAO/STO二维界面的最高电导值为0.025 s.在接下来的40 s内对LAO/STO单元进行暗处理，使其电导值缓慢下降，电阻值缓慢升高.在 4080 s 内对 LAO/STO 单元进行光照处理，使其电阻值缓慢下降和电导值缓慢升高.再重复一次实验得到图 1（a）.公式（1）的电导与时间次数的关系如图1（a）所示.t/sG/S1/401/801/120光照暗处理010002000300040005000t/s020406080100 120 140 1601/401/801/120G/S暗处理光照（a）实验测得LAO/STO在光照射下的真实电阻值15（b）根据实验数据模拟得到的曲线图图1 LAO/STO电导试验数据与模拟图对比图对LAO/STO二维界面光电导效应的模拟图进行观察，能看出其导电能力在经过光照时的瞬间激增，随后转为缓慢地增长，这是暂态光电导和持续光电导效应协同作用所致.如图1（a）所示，LAO/STO二维界面经过多轮重复的光照和暗处理后，仍能够很好地进行电导的上升和下降.说明LAO/STO二维界面的光电导性质是可逆的，具有很好的重复性，在一定时间内具有稳定的光导效应.2 结果与讨论采用Python中的Opencv库以灰度图的方式对LAO/STO 二维界面进行模拟实验.将 1 个像素点作为 1 个二维电子气 LAO/STO 单元，在 200200的像素方格内进行随机初始化，各个单元格相互独立、互不影响，并使其电阻的初始状态不一样.对应的是真实状态下不同的二维电子气上原子结构中46第2期氧空位分布不均而导致阻值不等的情况17.实验对式（1）进行了图像模拟.首先对 LAO/STO的二维界面（灰度图）进行暗处理，如图2（b）中LAO/STO单元的暗处理时间间隔为8 s，5张图像对应的是40 s的间隔.可以发现白色区域的亮度在不断提高，这表示在无光照的情况下LAO/STO单元导电能力会下降.实验又对 LAO/STO 界面（灰度图）进行光照处理，LAO/STO单元光照时间间隔仍为8 s，如图2（a）所示.可以看到白色区域的亮度不断下降，这表示在光照下LAO/STO单元导电能力的增强.电导强度1/40 S1/120 S（b）模拟暗处理现象（a）模拟光照现象图2 LAO/STO异质结光照及暗处理图像对比从实验结果可知，以LAO/STO二维界面作为材料进行光存储是完全能够实现的.通过合理的公式来测量 LAO/STO 二维界面的初始阻值以及光照结束后的电阻阻值，可以得出其光照时间.测量所有单元的阻值能够观测到光的形状.对LAO/STO单元光存储进行模拟实验.并对LAO/STO单元进行光形状记忆，将LAO/STO单元阻值以热点图的形式显示在Python中的Opencv库里.光照射的形状记忆在多个LAO/STO单元中（理想情况下LAO/STO单元之间互不接触），使其能显示特定的形状.热力图颜色越明亮表示其阻值越高，电导性越差，颜色越暗代表其阻值越低，电导性越好.LAO/STO单元初始的矩阵图如图3（a）所示.电导强度1/40 S1/120 S（a）LAO/STO单元初始矩阵（c）LAO/STO矩阵单元特殊形状（H、I、E）下光照处理（b）LAO/STO矩阵单元特殊形状（H、I、E）下暗处理图3 LAO/STO异质结图像记忆功能对比图杨毅，等：LaAlO3/SrTiO3异质结光存储特性模拟及电阻图像显示472023年湖南工程学院学报（自然科学版）设计好初始矩阵后，开始对LAO/STO的单元矩阵进行图片记忆的实验.本实验采用字母（H、I、E）的图案在LAO/STO二维界面上进行图片记忆，模拟存储这三个字母，并观测随光照时间的推移，LAO/STO单元矩阵上的图案形状变化，实验结果如图3（b）（c）所示.图 3（b）是 LAO/STO 单元矩阵经过暗处理后形成的图案.LAO/STO 界面上经过暗处理的单元矩阵的电阻随着时间的延长出现明显的上升，设定了暗处理区域的特殊字符（H、I、E）.图 3（b）是LAO/STO矩阵单元在光照下的电阻热力图，能够很好地显示出光源的形状，且随着时间的推移，LAO/STO单元光照处阻值明显地下降.光照能够调节 LAO/STO 二维界面电阻值的原因一般认为是 LAO/STO 界面层中光生载流子的出现所导致18.LAO/STO 二维界面在光照下的光生载流子浓度会随着光照时间的延长而增加，使LAO/STO 二维界面电阻阻值下降.若去掉光照，将其置于黑暗环境下，光生载流子浓度会缓慢下降，LAO/STO 界面电阻不会马上回归初始状态，在一定时间仍保持低阻态.在经过一段时间的暗处理光生载流子浓度恢复到光照之前，LAO/STO二维界面阻值恢复到未经光照前的阻值.光照信号和电信号都能使异质结的电阻发生改变，但其响应的过程却不同，在光照的作用下，二维电子气生成光生载流子使电阻发生变化.在电压的作用下，二维电子气氧空位移动，载流子浓度的改变使电阻发生变化.光存储和电存储的根本区别是介质的不同，是一种新型的存储手段.LAO/STO异质结的光电导效应既有瞬态光电导效应，也有持续光电导效应，这就使得存储光信息成为可能（通过电阻的初始阻值和最后的阻值确定）.在尺度上，异质结形成的异质界面是原子级别的，相比一般的电阻具有更高的精密度，能够在小范围内设定成千上万个LAO/STO异质结单元，像芯片一样在很小的体积中存储大量的信息.LAO/STO 异质结材料能较好地提高器件的准确性，因为LAO/STO异质结的电阻并不是在小范围内发生变动，这样器件的检测设备不需要十分精密也能准确地显示电阻值，从而显示电阻热点图像.3 结论本文采用模拟方法在现有数据的基础上对LAO/STO薄膜光存储的可行性进行了分析，发现在较好的电阻拟合公式的基础上，通过LAO/STO对光照时间、光照范围在一定时间内做到较好的测量.对于传统的图像显示技术，通过操控像素点来对图像进行显示，而依据异质结中二维电子气的性质可通过光照调节电阻的状态对图像进行操控.这为新型图像设备提供了新的思路.参 考 文 献1 CAPUTO M，BOSELLI M，FILIPPETTI A，et al.Artifi-cial Quantum Confinement in LaAlO3/SrTiO3Heterostruc-turesJ.Physical Review Materials，2020，4（3）：35001.2 ARNOLD D，FUCHS D，WOLFF K，Tuning the Super-conducting Transition of SrTiO3-based 2DEGs with LightJ.Applied Physics Letters，2019，115（12）：122601.3 LEE P W，SINGH V N，GUO G Y，et al.Hidden LatticeInstabilities as Origin of the Conductive Interface be-tween Insulating LaAlO3and SrTiO3J.Nature commu-nications，2016，7（1）：12773.4 MAZIAR B，SAFDAR N，WANG Yaqin，et al.Polariza-tion Effects on the Interfacial Conductivity in LaAlO3/SrTiO3Heterostructures：a First-principles Study J.Physical chemistry chemical physics，2016，18（9）：6831.5 NGO T D，CHANG J W，LEE K，et al.Polarity-tunableMagnetic Tunnel Junctions Based on Ferromagnetism atOxide Heterointerfaces J.Nature Communications，2015，6（8）：8035.6 IRVIN P，MA Y J，BOGORIN D F，et al.Rewritable Na-noscale Oxide Photodetector J.Nature Photonics，2010，4（12）：849-852.7 YU C Q，WANG H.Large Lateral Photovoltaic Effect inMetal-（Oxide-）Semiconductor StructuresJ.Sensors，2010，10（11）：10155.8 LEE S，SHARMA P，WANG Y，et al.Switchable InducedPolarization in LaAlO3/SrTiO3HeterostructuresJ.Nanoletters，2012，12（4）：1765.48第2期9 BELL C，HARASHIMA S，HIKITA Y，et al.ThicknessDependence of the Mobility at the LaAlO3/SrTiO3Inter-faceJ.Applied Physics Letters，2009，94（22）：423.10 CAVIGLIA A D，GARIGLIO S，REYREN N，et al.Electric Field Control of the LaAlO3/SrTiO3InterfaceGround StateJ.Nature，2008，456（7222）：624.11 SIEMONS W，KOSTER G，YAMAMOTO H，et al.Ori-gin of Charge Density at LaAlO3on SrTiO3Heterointer-faces：Possibility of Intrinsic DopingJ.Physical Re-view Letters，2007，98（19）：196802.12 THIEL S，HAMMERL G，SCHMEHL A.et al.TunableQuasi-two-dimensional Electron Gases in Oxide Hetero-structuresJ.Science，2006，313（5795）：1942.13 HERRANZ G，BASLETIC M，BIBES M，et al.HighMobility in LaAlO3/SrTiO3Heterostructures：Origin，Dimensionality and Perspectives J.Physical ReviewLetters，2007，98（21）：216803.14 CHAMBERS S A，ENGELHARD M H，SHUTTHANA-NDAN V，et al.Instability，Intermixing and ElectronicStructure at the Epitaxial LaAlO3/SrTiO3（001）Hetero-junctionJ.Surface Science Reports，2010，65（10）：317-352.15 HONG Y，JIA J，ZHANG Z，et al.Electrostatic GatingEnhanced Persistent Photoconductivity at the LaAlO3/SrTiO3Interface J.Journal of Applied Physics，2021，129（11）：115304.16 刀流云，张子涛，肖煜同，等.光电协同增强的场效应对LaAlO3/SrTiO3界面中持续光电导的调控 J.物理学报，2019，68（6）：199-206.17 GUNKEL F，HOFFMANN-EIFERT S，DITTMANNR，et al.High Temperature Conductance Characteristicsof LaAlO3/SrTiO3-heterostructures Under EquilibriumOxygen Atmospheres J.Applied Physics Letters，2010，97（1）：12103.18 GUDURU V K，KRUIZE M K，WENDERICH S，et al.Optically Excited Multi-band Conduction in LaAlO3/SrTiO3hHeterostructuresJ.Applied Physics Letters，2013，102（5）：51604.Simulation of Optical Storage Characteristics of LaAlO3/SrTiO3Heterojunction and Display of Resistance ImageYANG Yi，DUAN Weijie，HONG Yanpeng，XIAO Wenzhi（School of Computational Science and Electronics，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104，China）Abstract：The two-dimensional electron gas（2DEG）on the LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）interface showsmany novel characteristics.We explore the resistance response mechanism of the photoelectric characteristicsof LAO/STO，and find that the heterojunction has a similar memory curve with the neural network.We de-sign a test to simulate the effect of light on the interface resistivity of LAO/STO and compare it with the ac-tual curve.Through the change of resistivity of LAO/STO under light，the response of LAO/STO to lightshape and light exposure time is simulated，and the resistance image is displayed.The results show that theLAO/STO heterojunction has excellent optical storage characteristics and can effectively display the resistanceimage.This work provides a new idea for the application of LAO/STO heterojunction in new optoelectronicdevices，graphic and image display devices and artificial intelligence devices.Keywords：LaAlO3/SrTiO3；interface effect；photoelectric characteristics；two-dimensional electron gas杨毅，等：LaAlO3/SrTiO3异质结光存储特性模拟及电阻图像显示49