Innstilling av oksidegenskaper ved kontroll av oksygenledighet under vekst og glødning

Summary

Oksidmaterialer viser mange eksotiske egenskaper som kan kontrolleres ved å justere oksygeninnholdet. Her demonstrerer vi innstilling av oksygeninnhold i oksider ved å variere de pulserende laseravsetningsparametrene og ved å utføre postannealing. Som et eksempel er elektroniske egenskaper til SrTiO_3-baserte heterostrukturer innstilt av vekstmodifikasjoner og glødning.

Abstract

Elektriske, optiske og magnetiske egenskaper til oksidmaterialer kan ofte styres ved å variere oksygeninnholdet. Her skisserer vi to tilnærminger for å variere oksygeninnholdet og gir konkrete eksempler for å justere de elektriske egenskapene til SrTiO_3-baserte heterostrukturer. I den første tilnærmingen styres oksygeninnholdet ved å variere avsetningsparametrene under en pulserende laseravsetning. I den andre tilnærmingen blir oksygeninnholdet innstilt ved å utsette prøvene for glødning i oksygen ved forhøyede temperaturer etter filmveksten. Tilnærmingene kan brukes til et bredt spekter av oksider og ikke-oksidmaterialer der egenskapene er følsomme for en endring i oksidasjonstilstanden.

Tilnærmingene skiller seg vesentlig fra elektrostatisk gating, som ofte brukes til å endre de elektroniske egenskapene til begrensede elektroniske systemer som de som observeres i SrTiO_3-baserte heterostrukturer. Ved å kontrollere konsentrasjonen av oksygenledighet er vi i stand til å kontrollere bærertettheten over mange størrelsesordener, selv i ikke-begrensede elektroniske systemer. Videre kan egenskaper kontrolleres, som ikke er følsomme for tettheten av omreisende elektroner.

Introduction

Oksygeninnholdet spiller en viktig rolle i egenskapene til oksidmaterialer. Oksygen har høy elektronegativitet og tiltrekker i den fullt ioniske grensen to elektroner fra nærliggende kationer. Disse elektronene doneres til gitteret når en oksygenledighet dannes. Elektronene kan fanges og danne en lokalisert tilstand, eller de kan bli delokalisert og i stand til å lede en ladningsstrøm. De lokaliserte tilstandene er vanligvis plassert i båndgapet mellom valens- og ledningsbåndet med et totalt vinkelmoment som kan være ikke-null ^1,2,3. De lokaliserte tilstandene kan dermed danne lokaliserte magnetiske momenter og ha stor innvirkning på for eksempel de optiske og magnetiske egenskapene ^1,2,3. Hvis elektronene blir delokaliserte, bidrar de til tettheten av omreisende ladningsbærere. I tillegg, hvis en oksygenvakanse eller andre feil dannes, tilpasser gitteret seg til feilen. Tilstedeværelsen av defekter kan dermed naturlig føre til lokale tøyningsfelt, symmetribrudd og en modifisert elektronisk og ionisk transport i oksider.

Kontroll av oksygenstøkiometri er derfor ofte nøkkelen til å justere for eksempel de optiske, magnetiske og transportegenskapene til oksidmaterialer. Et fremtredende eksempel er SrTiO 3 og SrTiO_3-baserte heterostrukturer, hvor grunntilstanden til materialsystemene er svært følsom for oksygeninnholdet. Undoped SrTiO 3 er en ikke-magnetisk isolator med et båndgap på_3,2 eV; Men ved å introdusere oksygenledige stillinger, endrer SrTiO₃ tilstanden fra isolerende til metallisk ledende med en elektronmobilitet som overstiger 10.000 cm 2 / Vs ved² K⁴. Ved lave temperaturer (T < 450 mK) kan superledningsevne til og med være den foretrukne grunntilstanden ^5,6. Oksygenledige stillinger i SrTiO₃ har også vist seg å gjøre den ferromagnetisk⁷ og resultere i en optisk overgang i det synlige spekteret fra gjennomsiktig til ugjennomsiktig². I mer enn et tiår har det vært stor interesse for å deponere forskjellige oksider, som LaAlO 3, CaZrO 3 og γ-Al₂O 3, på SrTiO ₃ og undersøke egenskapene som oppstår ved grensesnittet 8,9,10,11,12,13 . I noen tilfeller viser det seg at egenskapene til grensesnittet skiller seg markant fra de som observeres i foreldrematerialene. Et viktig resultat av SrTiO_3-baserte heterostrukturer er at elektronene kan begrenses til grensesnittet, noe som gjør det mulig å kontrollere egenskapene knyttet til tettheten av omreisende elektroner ved hjelp av elektrostatisk gating. På denne måten blir det mulig å stille inn for eksempel elektronmobiliteten 14,15, superledningsevne 11, elektronparring 16 og magnetisk tilstand ¹⁷ i grensesnittet^, ved hjelp av elektriske felt.

Dannelsen av grensesnittet muliggjør også en kontroll av SrTiO 3-kjemien, hvor avsetningen av toppfilmen på SrTiO₃ kan brukes til å indusere en redoksreaksjon over grensesnittet^18,19. Hvis en oksidfilm med høy oksygenaffinitet avsettes på SrTiO 3, kan oksygen overføres fra de nære overflatedelene av SrTiO 3 til toppfilmen, og dermed redusere SrTiO₃ og oksidere toppfilmen (se figur 1).

Figur 1: Dannelse av oksygenvakanse i SrTiO₃. Skjematisk illustrasjon av hvordan oksygenledige stillinger og elektroner dannes i grenseflaten nær regionen SrTiO₃ under avsetning av en tynn film med høy oksygenaffinitet. Gjengitt figur med tillatelse fra en studie av Chen et ^al.18. Copyright 2011 av American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I dette tilfellet dannes oksygen ledige stillinger og elektroner nær grensesnittet. Denne prosessen forventes å være opprinnelsen til konduktiviteten dannet under avsetningen ved grensesnittet mellom SrTiO 3 og romtemperaturdyrkede metallfilmer eller oksider som amorf LaAlO₃^18,20 eller γ-Al2O3 ^10,21,22,23. Dermed er egenskapene til disse SrTiO_3-baserte grensesnittene svært følsomme for oksygeninnholdet i grensesnittet.

Her rapporterer vi bruk av postdeponering og variasjoner i de pulserende laseravsetningsparametrene for å kontrollere egenskapene i oksidmaterialer ved å justere oksygeninnholdet. Vi bruker γ-Al₂O 3 eller amorf LaAlO 3 avsatt på SrTiO ₃ ved romtemperatur som eksempler på hvordan bærertetthet, elektronmobilitet og arkmotstand kan endres ved størrelsesordener ved å kontrollere antall ledige oksygenstillinger. Metodene gir noen fordeler utover de som oppnås med elektrostatisk gating, som vanligvis brukes til å justere de elektriske 9,11,14 og i noen tilfeller de magnetiske^{15,17-egenskapene}. Disse fordelene inkluderer å danne en (kvasi-) stabil slutttilstand og unngå bruk av elektriske felt, noe som krever elektrisk kontakt til prøven og kan forårsake bivirkninger.

I det følgende gjennomgår vi generelle tilnærminger for å justere egenskapene til oksider ved å kontrollere oksygeninnholdet. Dette gjøres på to måter, nemlig 1) ved å variere vekstbetingelsene ved syntetisering av oksidmaterialene, og 2) ved glødning av oksidmaterialene i oksygen. Tilnærmingene kan brukes til å justere en rekke egenskaper i mange oksid- og noen monoksidmaterialer. Vi gir et konkret eksempel på hvordan man justerer bærertettheten ved grensesnittet til SrTiO_3-baserte heterostrukturer. Sørg for at et høyt nivå av renslighet utøves for å unngå kontaminering av prøvene (f.eks. ved å bruke hansker, rørovner dedikert til SrTiO₃ og ikke-magnetisk/syrebestandig pinsett).

Protocol

1. Kontrollere egenskaper ved varierende vekstforhold Fremstilling av høykvalitets overflater av SrTiO3 Kjøp blandede terminerte SrTiO 3-substrater (f.eks. 5 mm x 5 mm x 0,5 mm i størrelse) med en typisk overflatevinkel på 0,05°–0,2° i forhold til (001) krystallplan.MERK: Feilskjæringsvinkelen bestemmer overflatenes flathet, noe som er viktig for epitaksiell vekst på underlaget, så vel som for de resulterende egenskapene ved grensesnittet. <l…

Representative Results

Kontrollere egenskaper ved varierende vekstforholdVariasjon av avsetningsparametrene under avsetning av oksider kan føre til en stor endring i egenskapene, spesielt for SrTiO3-baserte heterostrukturer, som vist i figur 2. Figur 2: Kontrollere transportegenskapene ved å just…

Discussion

Metodene beskrevet her er avhengige av å bruke oksygeninnholdet til å kontrollere oksidegenskaper, og oksygenpartialtrykket og driftstemperaturen er dermed kritiske parametere. Hvis systemets totale oksidasjonstilstand er innstilt på en måte der systemet forblir i en termodynamisk likevekt med den omgivende atmosfæren (dvs. endret pO₂ ved høy temperatur), kan endringene reversible. Imidlertid, når det gjelder SrTiO_3-baserte heterostrukturer, dannes grensesnitt oksygen ledige stillinger vanlig…

Materials

SrTiO3	Crystec		Single crystalline (001) oriented, 0.05-0.2 degree miscut angle
LaAlO3	Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd.		Single crystalline
Al2O3	Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd.		Single crystalline
Chemicals and gases	Standard suppliers
Silver paste	SPI Supplies, Structure Probe Inc		05001-AB, High purity silver paint
Ultrasonicator	VWR		USC500D HF45kHz/100W
Wedge wire bonder	Shenzhen Baixiangyuan Science & Technology Co.,Ltd.		HS-853A Aluminum wire bonder
Pulsed laser deposition	Twente Solid State Technologies (TSST)		PLD from TSST with software version V3.0.29, equipped with a 248 nm KrF nanosecond laser (Compex Pro 205 F) from Coherent
Resistance measurement setup	Custom made		Based on the following electrical instruments and custom written software: Keithley 6221 DC and AC current source Keithley 2182A nanovoltmeter Keithley 7001 switch system with a matrix card Keithley 6487 picoammeter
Hall measurements	Cryogenics		Based on the following electrical instruments and custom written software: Keithley 2400 DC current source Keithley 2182A nanovoltmeter Keithley 7001 switch system with a matrix card
Furnace	Custom made		Custom written software control of a FTTF 500/70 tube furnace from Scandia Ovnen AS and a eurotherm 2216e temperature controller