Summary
Oxidmaterialer viser mange eksotiske egenskaber, der kan styres ved at indstille iltindholdet. Her demonstrerer vi tuning af iltindhold i oxider ved at variere de pulserende laseraflejringsparametre og ved at udføre postglødning. Som et eksempel indstilles elektroniske egenskaber af SrTiO3-baserede heterostrukturer ved vækstmodifikationer og glødning.
Abstract
Elektriske, optiske og magnetiske egenskaber af oxidmaterialer kan ofte styres ved at variere iltindholdet. Her skitserer vi to tilgange til at variere iltindholdet og giver konkrete eksempler til tuning af de elektriske egenskaber ved SrTiO3-baserede heterostrukturer. I den første tilgang styres iltindholdet ved at variere aflejringsparametrene under en pulserende laseraflejring. I den anden tilgang indstilles iltindholdet ved at udsætte prøverne for udglødning i ilt ved forhøjede temperaturer efter filmvæksten. Fremgangsmåderne kan anvendes til en lang række oxider og nonoxidmaterialer, hvor egenskaberne er følsomme over for en ændring i oxidationstrinnet.
Tilgange adskiller sig væsentligt fra elektrostatisk gating, som ofte bruges til at ændre de elektroniske egenskaber ved begrænsede elektroniske systemer som dem, der observeres i SrTiO3-baserede heterostrukturer. Ved at kontrollere ilttomgangskoncentrationen er vi i stand til at kontrollere bærertætheden over mange størrelsesordener, selv i ikke-begrænsede elektroniske systemer. Desuden kan egenskaber styres, som ikke er følsomme over for densiteten af omrejsende elektroner.
Introduction
Oxygenindholdet spiller en afgørende rolle i oxidmaterialernes egenskaber. Oxygen har en høj elektronegativitet og tiltrækker i den fuldt ioniske grænse to elektroner fra nabokationer. Disse elektroner doneres til gitteret, når der dannes en ilttomgang. Elektronerne kan fanges og danne en lokaliseret tilstand, eller de kan blive delokaliserede og i stand til at lede en ladestrøm. De lokaliserede tilstande er typisk placeret i båndgabet mellem valens- og ledningsbåndet med et samlet vinkelmoment, der kan være ikke-nul 1,2,3. De lokaliserede tilstande kan således danne lokaliserede magnetiske momenter og have stor indflydelse på f.eks. de optiske og magnetiske egenskaber 1,2,3. Hvis elektronerne bliver delokaliserede, bidrager de til tætheden af omrejsende ladningsbærere. Hvis der dannes en ilttomgang eller andre defekter, tilpasser gitteret sig desuden til defekten. Tilstedeværelsen af defekter kan således naturligt føre til lokale belastningsfelter, symmetribrud og en modificeret elektronisk og ionisk transport i oxider.
Styring af iltstøkiometri er derfor ofte nøglen til at tune for eksempel oxidmaterialers optiske, magnetiske og transportegenskaber. Et fremtrædende eksempel er SrTiO 3 og SrTiO3-baserede heterostrukturer, hvor jordtilstanden i materialesystemerne er meget følsom over for iltindholdet. Undoped SrTiO 3 er en ikke-magnetisk isolator med et båndgab på3,2 eV; ved at indføre iltledige stillinger ændrer SrTiO3 imidlertid tilstanden fra isolerende til metallisk ledende med en elektronmobilitet på over 10.000 cm 2 / Vs ved2 K4. Ved lave temperaturer (T < 450 mK) kan superledning endda være den foretrukne jordtilstand 5,6. Oxygenledige stillinger i SrTiO3 har også vist sig at gøre det ferromagnetisk7 og resultere i en optisk overgang i det synlige spektrum fra gennemsigtig til uigennemsigtig2. I mere end et årti har der været stor interesse for at deponere forskellige oxider, såsom LaAlO 3, CaZrO 3 og γ-Al2O 3, på SrTiO 3 og undersøge de egenskaber, der opstår ved grænsefladen 8,9,10,11,12,13 . I nogle tilfælde viser det sig, at grænsefladens egenskaber adskiller sig markant fra dem, der observeres i modermaterialerne. Et vigtigt resultat af de SrTiO3-baserede heterostrukturer er, at elektronerne kan begrænses til grænsefladen, hvilket gør det muligt at kontrollere egenskaberne relateret til densiteten af omrejsende elektroner ved hjælp af elektrostatisk gating. På denne måde bliver det muligt at indstille for eksempel elektronmobiliteten 14,15, superledningen 11, elektronparringen 16 og magnetisk tilstand 17 i grænsefladen ved hjælp af elektriske felter.
Dannelsen af grænsefladen muliggør også en kontrol af SrTiO3-kemien, hvor aflejringen af topfilmen på SrTiO3 kan bruges til at inducere en redoxreaktion over grænsefladen18,19. Hvis en oxidfilm med høj iltaffinitet deponeres på SrTiO 3, kan ilt overføres fra de overfladenære dele af SrTiO 3 til den øverste film og derved reducere SrTiO3 og oxidere topfilmen (se figur 1).
Figur 1: Ilttomgangsdannelse i SrTiO3. Skematisk illustration af, hvordan iltledige stillinger og elektroner dannes i grænsefladen-nær regionen af SrTiO3 under aflejringen af en tynd film med en høj iltaffinitet. Genoptrykt figur med tilladelse fra en undersøgelse af Chen et al.18. Copyright 2011 af American Chemical Society. Klik her for at se en større version af denne figur.
I dette tilfælde dannes iltledige stillinger og elektroner nær grænsefladen. Denne proces forventes at være oprindelsen til den ledningsevne, der dannes under aflejringen ved grænsefladen mellem SrTiO3 og metalfilm eller oxider dyrket ved stuetemperatur, såsom amorf LaAlO3 18,20 eller γ-Al 2O3 10,21,22,23. Således er egenskaberne af disse SrTiO3-baserede grænseflader meget følsomme over for iltindholdet ved grænsefladen.
Her rapporterer vi brugen af postdepositionsglødning og variationer i de pulserende laseraflejringsparametre til at kontrollere egenskaberne i oxidmaterialer ved at indstille iltindholdet. Vi bruger γ-Al2O 3 eller amorf LaAlO 3 deponeret på SrTiO 3 ved stuetemperatur som eksempler på, hvordan bærertætheden, elektronmobiliteten og arkmodstanden kan ændres med størrelsesordener ved at kontrollere antallet af iltledige stillinger. Metoderne giver nogle fordele ud over dem, der opnås med elektrostatisk gating, som typisk bruges til at indstille de elektriske 9,11,14 og i nogle tilfælde de magnetiske15,17 egenskaber. Disse fordele omfatter dannelse af en (kvasi-) stabil endelig tilstand og undgå brug af elektriske felter, hvilket kræver elektrisk kontakt til prøven og kan forårsage bivirkninger.
I det følgende gennemgår vi generelle tilgange til tuning af oxidernes egenskaber ved at kontrollere iltindholdet. Dette gøres på to måder, nemlig 1) ved at variere vækstbetingelserne ved syntetisering af oxidmaterialerne og 2) ved udglødning af oxidmaterialerne i ilt. Metoderne kan anvendes til at indstille en række egenskaber i mange oxid- og nogle monoxidmaterialer. Vi giver et konkret eksempel på, hvordan man indstiller bærertætheden ved grænsefladen mellem SrTiO3-baserede heterostrukturer. Sørg for, at der udøves en høj grad af renlighed for at undgå kontaminering af prøverne (f.eks. ved brug af handsker, rørovne dedikeret til SrTiO3 og ikke-magnetisk/syrebestandig pincet).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kontrol af egenskaber ved varierende vækstbetingelser
- Forberedelse af overflader af høj kvalitet af SrTiO3
- Køb blandede afsluttede SrTiO 3-substrater (f.eks. 5 mm x 5 mm x 0,5 mm i størrelse) med en typisk overfladevinkel på 0,05 ° -0,2 ° i forhold til (001) krystalplanerne.
BEMÆRK: Den fejlskårne vinkel bestemmer overfladens fladhed, hvilket er vigtigt for epitaksial vækst på substratet såvel som for de resulterende egenskaber ved grænsefladen. - Rens det ønskede antal substrater ved ultralydbehandling i acetone i 5 min og ethanol i 5 min ved stuetemperatur i en standard ultralydator.
- Ultralyd substraterne i 20 minutter ved 70 ° C i rent vand, som opløser SrO24 eller danner Sr-hydroxidkomplekser ved overfladedomæner afsluttet med SrO 25, mens de kemisk stabile TiO2-terminerede domæner forbliver uændrede26.
- Ultralyd substraterne i en 3: 1: 16 HCI: HNO 3: H2O sur opløsning (fx 9:3: 48 ml) ved 70 ° C i 20 minutter i en damphætte for selektivt at ætse SrO på grund af den grundlæggende karakter af SrO-overfladedomæner, surhedsgraden afTiO2 og tilstedeværelsen af Sr-hydroxidkomplekserne.
- Fjern restsyren fra substraterne ved ultralydbehandling i 100 ml rent vand i 5 minutter ved stuetemperatur i en damphætte.
BEMÆRK: TiO2-termineret SrTiO3 kan købes kommercielt eller fremstilles på forskellige måder baseret på selektiv ætsning af SrO på overfladen24,27. Den konventionelle ætsning i HF fører også til TiO2-termineret SrTiO3, men dette undgås her på grund af sikkerhedsproblemer og risiko for utilsigtet F-doping af SrTiO3 28. - Substraterne behandles termisk i en atmosfære på 1 bar ilt i 1 time ved 1.000 °C med en opvarmnings- og afkølingshastighed på 100 °C/h i en keramisk rørovn for at slappe af substratoverfladen til en tilstand med lav energi.
- Køb blandede afsluttede SrTiO 3-substrater (f.eks. 5 mm x 5 mm x 0,5 mm i størrelse) med en typisk overfladevinkel på 0,05 ° -0,2 ° i forhold til (001) krystalplanerne.
- Aflejring af tyndfilmen/tyndfilmene på underlaget
- Monter underlagene på varmelegemet eller en spånholder, afhængigt af om der skal udføres in situ-transportmålinger under aflejringen.
BEMÆRK: En sølvpasta, der hærder ved stuetemperatur, kan nemt bruges til substratmontering. - Tilslut de fire hjørner af SrTiO3-overfladen til en chipholder elektrisk ved hjælp af for eksempel standard kiletrådsbinding med 20 μm tykke Al-ledninger, hvis der ønskes in situ-transportmålinger. Monter chipholderen på en chipholderholder, hvor ledninger forbinder prøven til en elektrisk måleopsætning gennem et vakuumkompatibelt stik.
- Det TiO 2-terminerede substrat anbringes 4,7 cm fra det enkeltkrystallinske Al 2 O3-mål for en typisk afsætning af Al2O3 på SrTiO3.
- Start arkmodstandsmålinger ved hjælp af Van der Pauw-geometri29, hvis der skal udføres in situ-transportmålinger.
- Substratet opvarmes til 650 °C med en hastighed på 15 °C/min, eller underlaget opbevares ved stuetemperatur.
- Forbered dig på ablering fra et enkeltkrystallinsk Al2O3-mål i et ilttryk på 1 x 10-5 mbar ved hjælp af for eksempel en nanosekundpulserende KrF-laser med en bølgelængde på 248 nm, en laserfluens på 3,5 J/cm2 og en frekvens på 1 Hz. Indstil egenskaberne ved hjælp af iltindholdet ved hjælp af et iltaflejringstryk i området 10-6 til 10-1 mbar eller ved at variere andre Aflejringsparametre.
- Afsæt den ønskede tykkelse af γ-Al2O3(typisk 0-5 enhedsceller).
BEMÆRK: Dette kan bestemmes ved hjælp af f.eks. reflekterende højenergielektrondiffraktioner (RHEED) svingninger eller atomkraftmikroskopimålinger, hvor sidstnævnte måles som højdeforskellen frembragt ved at forhindre aflejring af γ-Al2O3 på substratets side ved hjælp af en fysisk maske. - γ-Al2O 3/SrTiO3-heterostrukturen afkøles med en hastighed på 15 °C/min ved aflejringstrykket uden at udføre et yderligere udglødningstrin, hvis der foretages en aflejring ved høj temperatur.
- Prøven fjernes fra deponeringskammeret, og de elektriske målinger standses.
- Prøven opbevares under vakuum, nitrogen eller alternativt ved omgivelsesforhold. Prøvenedbrydningen er langsomst, når den opbevares i vakuum eller nitrogen20.
- Monter underlagene på varmelegemet eller en spånholder, afhængigt af om der skal udføres in situ-transportmålinger under aflejringen.
2. Kontrol af egenskaber ved termisk glødning
- Monter prøven med sølvpasta på en chipholder.
- Tilslut prøven elektrisk til chipbæreren ved hjælp af for eksempel kiletrådsbinding af Al-ledninger i Van der Pauw-geometrien29.
- Tilslut chipbæreren elektrisk til måleudstyret ved hjælp af et stik og ledninger med termisk resistent isolering.
- Start arkmodstandsmålingerne.
- Anbring chipbæreren udstyret med prøven i en lukket ovn.
- Skyl grundigt med den gas, der bruges til udglødningen, mens det kontrolleres, om prøvemodstanden er følsom over for en ændring i atmosfæren.
- Udglød prøven ved hjælp af den ønskede udglødningsprofil. Typiske udglødningstemperaturer er henholdsvis 50-250 °C og 100-350 °C for a-LaAlO 3/SrTiO 3 og γ-Al2O 3/SrTiO 3 heterostrukturer, afhængigt af tykkelsen af topfilmen og den ønskede iltinkorporeringshastighed.
BEMÆRK: Brug flere varmekompatible muligheder end Al-ledninger og standard keramiske chipholdere, hvis der er behov for temperaturer over 350–400 °C. - Afbryd udglødningen, når der er sket en ønsket ændring i arkmodstanden.
- Afkøl prøven ved at skrue ned for temperaturen, eller tag prøven ud.
- Stop de elektriske målinger.
BEMÆRK: Modstanden er generelt temperaturafhængig, hvilket skal tages i betragtning, hvis specifikke transportegenskaber ved en bestemt temperatur er målet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Styring af egenskaber ved varierende vækstbetingelser
Varierende depositionsparametre under aflejring af oxider kan føre til en stor ændring i egenskaberne, især for SrTiO3-baserede heterostrukturer, som vist i figur 2.
Figur 2: Kontrol af transportegenskaberne ved at indstille den øverste lagtykkelse. a) Skematisk illustration af γ-Al2O 3/SrTiO3 heterostrukturer. b) Arkmodstand (Rs) i grænsefladen γ-Al 2 O 3/SrTiO3 som funktion af tykkelsen af γ-Al 2O3-laget. c) Pladebærertæthed (ns) som funktion af lagtykkelsen γ-Al2O3. d) Bærermobilitet (μ) som funktion af γ-Al2O3-lagtykkelsen. Genoptrykt figur med tilladelse fra studie af Christensen m.fl.12. Copyright 2016 af AIP Publishing. Klik her for at se en større version af denne figur.
Her varieres tykkelsen af γ-Al2O3, og den resulterende arkmodstand måles, efter at γ-Al2O 3 / SrTiO3 heterostrukturen er fjernet fra aflejringskammeret. Dette resulterer i en stor variation i transportadfærden for γ-Al2O 3 / SrTiO3-grænsefladen, der spænder fra højisolerende til metallisk ledende omkring en kritisk tykkelse på 1-enhedscelle (0,8 nm). Hvis tykkelsen kontrolleres omhyggeligt tæt på den kritiske tykkelse, kan arkkonduktansen og bærerdensiteten indstilles med flere størrelsesordener. Ved stuetemperatur forbliver elektronmobiliteten imidlertid stort set uændret. En lignende indstilling kan findes, når andre aflejringsparametre varieres, såsom substrat-til-mål-afstanden30 og iltpartialtrykket31.
Mens elektronmobiliteten forbliver stort set uændret ved stuetemperatur, ændres den dramatisk, når vi afkøler prøven til 2 K, og når tykkelsen eller aflejringstrykket på γ-Al2O3varieres (se figur 3).
Figur 3: Styring af elektronmobiliteten ved at variere aflejringsparametrene. Elektronmobiliteten (μ) af γ-Al 2O 3 / SrTiO 3 som funktion af bærerdensiteten (ns), indstillet ved at variere tykkelsen af γ-Al2O 3 (blå diamanter), primært varierende iltpartialtrykket under den pulserende laseraflejring (grå cirkler) eller ved at udføre postglødning i 1 bar ilt ved ca. 200 ° C (røde cirkler). Genoptrykt figur med tilladelse fra studie af Christensen m.fl.31. Copyright 2018 af American Physical Society. Klik her for at se en større version af denne figur.
Her når elektronmobiliteten af γ-Al 2 O3 / SrTiO 3 heterostrukturen en værdi på over 100.000 cm 2 / Vs ved 2 K, når γ-Al2 O3 deponeres med en tykkelse på3,5 enhedsceller i et iltpartialtryk på ca. 10-5 mbar. Forøgelse af partialtrykket eller afvigelse fra tykkelsen γ-Al2O3resulterer i både et fald i bærertætheden og elektronmobiliteten med to størrelsesordener.
Kontrol af egenskaber ved termisk glødning
Oxygenindholdet kan også styres ved hjælp af ex situ termisk glødning under oxiderende eller reducerende forhold. Her bestemmes den endelige tilstand efter glødning af tre parametre: udglødningstiden, temperaturen og atmosfæren. Et eksempel findes i figur 4a,b.
Figur 4: Kontrol af transportegenskaberne ved udglødning i ilt. Normaliseret arkkonduktans (Gs) af (a) γ-Al2O 3 / SrTiO 3 og (b) amorfe LaAlO 3 / SrTiO 3 heterostrukturer som funktion af den tid, hvor prøverne udglødes i 1 bar ilt. c) Pladebærerdensiteten (n s) som funktion af arkledningsevnen (Gs) målt ved stuetemperatur, efter at to γ-Al 2O3/SrTiO3-prøver er blevet udglødet i 1 bar oxygen ved ca.200°C. De to prøver er blevet syntetiseret under anvendelse af en pulserende laseraflejring af γ-Al2O3 på SrTiO3 under anvendelse af et iltbaggrundstryk på 10-6 mbar og 10-5 mbar, hvilket fører til forskellige indledende bærertætheder efter aflejringen. Genoptrykt figur med tilladelse fra studie af Christensen m.fl.23. Copyright 2017 af American Physical Society. Klik her for at se en større version af denne figur.
Her måles arkkonduktansen af γ-Al2O 3 / SrTiO 3 og amorfe-LaAlO 3 / SrTiO 3 heterostrukturer, mens prøverne udglødes i 1 bar ilt ved forskellige temperaturer. Det hurtigste fald i konduktansen observeres for amorfe-LaAlO 3 / SrTiO 3 heterostrukturer, og det konstateres, at udslettelsen af ledige stillinger i SrTiO 3 sker gennem det 16 nm tykke amorfe LaAlO 3 lag23. γ-Al2O 3-filmen viser sig imidlertid at tjene som et blokerende lag for iltdiffusion, og iltledige stillinger på SrTiO 3-siden tilintetgøres gennem iltdiffusion gennem SrTiO 3, hvilket fører til en mere termisk modstandsdygtig grænsefladeledningsevne23. Heterostrukturernes bæretæthed kan kontrolleres ved at standse udglødningen i oxygen, som vist i figur 4c for γ-Al2O3/SrTiO3-heterostrukturen. I dette tilfælde udglødes heterostrukturen i flere trin ved ca. 200 °C. Efter hvert trin afkøles heterostrukturen til stuetemperatur, hvor bærerdensiteten måles. Udglødningen resulterer i et kontrolleret fald i bæretætheden såvel som i en overgang fra en metallisk ledende til en isolerende grænseflade.
Ændringen i ledende tilstand af γ-Al2O 3 / SrTiO3 heterostrukturen kan bruges til at aktivere forskellige egenskaber23. Figur 5 viser et eksempel.
Figur 5: Aktivering af skrivning af ledende polymer Fire-sondemodstand som funktion af tiden som ledende nanolinjer forsøges skrevet ved hjælp af en ledende atomkraftmikroskopi (c-AFM) tip. Efter udglødning ved ca. 150 °C i 3 timer kan ledende linjer skrives ved γ-Al 2 O 3/SrTiO3-grænsefladen ved at anvende en positiv forspænding på c-AFM-spidsen og scanne på γ-Al2O3-overfladen. Når den ledende ledning kommer i kontakt med to elektroder, falder modstanden kraftigt. Anvendelse af en negativ bias og scanning over den ledende linje fører til sletning af polymeren. Genoptrykt figur med tilladelse fra studie af Christensen m.fl.23. Copyright 2017 af American Physical Society. Klik her for at se en større version af denne figur.
Her kan ledende nanolinjer kun tegnes ved hjælp af ledende atomkraftmikroskopi (c-AFM) i en høj resistiv tilstand. Efter aflejringen af γ-Al 2O3 er heterostrukturen i en lav resistiv tilstand, og der sker ingen observerbar ændring, når en c-AFM-spids med en positiv bias scanner på γ-Al2O3-overfladen fra en elektrode til en anden. Efter udglødning af heterostrukturen ved 150 °C i luft i 3 timer kan der imidlertid opnås en høj resistiv tilstand ved grænsefladen. Når den positivt forspændte spids scannes mellem elektroderne, kan der dannes en ledende linje med en bredde på ca. 50 nm ved den høje resistive grænseflade. Når nanolinjen forbinder de to elektroder, observeres et kraftigt fald i modstanden, som tidligere rapporteret32,33. Nanolinjen kan efterfølgende slettes ved at anvende en negativ bias på spidsen og scanne på tværs af nanolinjen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De her beskrevne metoder er afhængige af at bruge iltindholdet til at kontrollere oxidegenskaber, og iltpartialtrykket og driftstemperaturen er således kritiske parametre. Hvis systemets totale oxidationstrin er indstillet på en måde, hvor systemet forbliver i en termodynamisk ligevægt med den omgivende atmosfære (dvs. ændretpO2 ved høj temperatur), kan ændringerne være reversible. I tilfælde af SrTiO3-baserede heterostrukturer dannes der imidlertid typisk grænsefladeoxygenledige stillinger ved hjælp af pulserende laseraflejring, som kan fange oxidationstilstanden i en ikke-ligevægtstilstand34. I dette tilfælde er temperaturprofilen og iltpartialtrykket ved og efter aflejringen afgørende for de resulterende egenskaber. Ledige iltstillinger i SrTiO3 er typisk ustabile under omgivende forhold22, og ændringer i iltindholdet induceret af udglødning vil generelt være irreversible.
Andre ulemper er bivirkningerne fra den forhøjede temperatur eller modificeret aflejring. Under forhøjet temperatur kan kationdiffusion for eksempel forekomme. En signifikant kationinterdiffusion er blevet rapporteret under den pulserende laseraflejring af forskellige oxider på SrTiO310,35,36. Styring af iltindholdet sker typisk ved at ændre iltaflejringstrykket. Under et tryk på ca. 10-3 mbar påvirkes plasmafanen i den pulserende laseraflejring næppe af baggrundstrykket, og en ændring i oxidationstilstanden for SrTiO3 sker ved interaktioner med den omgivende atmosfære ved forhøjede temperaturer37. Når trykket øges fra 10-3 til 10-1 mbar, interagerer baggrundsgassen med plasmafanen, hvilket resulterer i oxidation af fanen samt sænkning af plasmaartens kinetiske energi37. Dette kan påvirke niveauet af kationinterdiffusion, da den effektive temperatur på SrTiO3-overfladen sænkes, og plasmaarter ankommer med lavere hastigheder. Argon stopper plasmaarten omtrent lige så effektivt som ilt, og derfor kan bivirkningerne ved at ændre den kinetiske energi omgås ved at fastsætte det samlede aflejringstryk, men variere iltpartialtrykket ved hjælp af en argon/oxygen-blanding37. Ved udglødning kan kationdiffusion undgås ved udglødning ved temperaturer, der er høje nok til at tillade iltdiffusion, men lave nok til at forhindre signifikant kationdiffusion. Dette er tilfældet for de SrTiO3-baserede heterostrukturer, der udglødes ved 100-350 °C, og som her betragtessom 23,36. Det skal dog bemærkes, at kationdiffusion og variationer i defektkonfigurationen induceret af aflejringen eller postglødningen i nogle tilfælde også kan være en ønskelig måde at indstille oxidegenskaberne på.
De to forskellige tilgange til at ændre iltindholdet adskiller sig fra hinanden på flere måder. Ved hjælp af vækstmetoden, hvor de pulserende laseraflejringsparametre varieres, er det muligt at opnå tilstande, der enten er termodynamisk stabile eller termisk slukket i en ikke-ligevægtstilstand34. Udglødningsmetoden driver prøven mod termisk ligevægt ved de givne udglødningsbetingelser, men mellemliggende ikke-ligevægtstilstande kan også opnås. Udglødningsmetoden minimerer desuden variationer fra prøve til prøve, da egenskaberne kan indstilles i en enkelt prøve, mens forskellige prøver med varierende egenskaber fremstilles i henhold til vækstmetoden. På den anden side kan den oprindelige tilstand gå tabt efter udglødningsprocessen.
De to tilgange adskiller sig også fra elektrostatisk gating, som normalt bruges til at indstille især bæretætheden af begrænsede elektroniske systemer. Elektrostatisk gating drager fordel af en hurtig og alsidig ændring i de elektriske egenskaber, som ofte kan udføres in situ, mens man måler andre egenskaber. Imidlertid er opnåelsestilstanden ikke permanent, en signifikant hysterese kan observeres, og det område, hvor bærerdensiteten kan indstilles, er begrænset (typisk i størrelsesordenen mindre end 10-12 /cm2 for back-gating med ~100 V gennem 0,5 mm tyk SrTiO3)12,23,38,39 . Styring af egenskaberne ved at indstille ilttomgangsindholdet fører til en (kvasi-)permanent tilstand med store ændringer i bærertætheden10,23 og muligheden for at ændre egenskaber, der ikke nødvendigvis påvirkes af en ændring i densiteten af omrejsende elektroner. Desuden kan en kombination af gating- og udglødningsprocesserne udnytte deres respektive fordele til en præcis kontrol af grænsefladeegenskaberne.
Udglødningsmetoden er særligt kompatibel med en række yderligere målinger ud over de modstandsmålinger, der er beskrevet her. Disse målinger kan omfatte Hall, gate, optiske og magnetiske målinger, som kan bruges til at undersøge tuning af forskellige egenskaber. Målingerne omfatter også dem, hvor ledningsadgang eller elektrostatisk gating er udfordrende, såsom fotoemissionseksperimenter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne takker J. Geyti fra Danmarks Tekniske Universitet for hans tekniske bistand. F. Trier kvitterer for støtte fra forskningsbevilling VKR023371 (SPINOX) fra VILLUM FONDEN. D. V. Christensen anerkender støtten fra Novo Nordisk Foundation NERD Programme: New Exploratory Research and Discovery, Superior Grant NNF21OC0068015.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Pavlenko, N., Kopp, T., Tsymbal, E. Y., Sawatzky, G. A., Mannhart, J. Magnetic and superconducting phases at the LaAlO3/SrTiO3 interface: The role of interfacial Ti 3d electrons. Physical Review B. 85 (2), 020407 (2012).
- Schütz, P., et al. Microscopic origin of the mobility enhancement at a spinel/perovskite oxide heterointerface revealed by photoemission spectroscopy. Physical Review B. 96, 161409 (2017).
- Choi, H., Song, J. D., Lee, K. -R., Kim, S. Correlated Visible-Light Absorption and Intrinsic Magnetism of SrTiO3 Due to Oxygen Deficiency: Bulk or Surface Effect. Inorganic Chemistry. 54 (8), 3759-3765 (2015).
- Frederikse, H. P. R., Hall Hosler, W. R.
- Schooley, J. F., Hosler, W. R., Cohen, M. L.
- Schooley, J. F., et al. Dependence of the Superconducting Transition Temperature on Carrier Concentration in Semiconducting SrTiO3. Physical Review Letters. 14 (9), 305-307 (1965).
- Coey, J. M. D., Venkatesan, M., Stamenov, P.
- Ohtomo, A., Hwang, H. Y. A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Nature. 427 (6973), 423-426 (2004).
- Thiel, S., Hammerl, G., Schmehl, A., Schneider, C. W., Mannhart, J. Tunable quasi-two-dimensional electron gases in oxide heterostructures. Science. 313 (5795), 1942-1945 (2006).
- Chen, Y. Z., et al. A high-mobility two-dimensional electron gas at the spinel/perovskite interface of γ-Al2O3/SrTiO3. Nature Communications. 4, 1371 (2013).
- Caviglia, A. D., et al. Electric field control of the LaAlO3/SrTiO3 interface ground state. Nature. 456 (7222), 624-627 (2008).
- Christensen, D. V., et al. Electric field control of the γ-Al2O3/SrTiO3 interface conductivity at room temperature. Applied Physics Letters. 109 (2), 021602 (2016).
- Chen, Y., et al. Creation of High Mobility Two-Dimensional Electron Gases via Strain Induced Polarization at an Otherwise Nonpolar Complex Oxide Interface. Nano Letters. 15 (3), 1849-1854 (2015).
- Bell, C., et al. Dominant Mobility Modulation by the Electric Field Effect at the LaAlO3/SrTiO3 Interface. Physical Review Letters. 103 (22), 226802 (2009).
- Niu, W., et al. Giant Tunability of the Two-Dimensional Electron Gas at the Interface of γ-Al2O3/SrTiO3. Nano Letters. 17, 6878 (2017).
- Cheng, G., et al.
- Bi, F., et al. Room-temperature electronically-controlled ferromagnetism at the LaAlO3/SrTiO3 interface. Nature Communications. 5, (2014).
- Chen, Y., et al. Metallic and Insulating Interfaces of Amorphous SrTiO3-Based Oxide Heterostructures. Nano Letters. 11 (9), 3774-3778 (2011).
- Chen, Y. Z., et al. On the origin of metallic conductivity at the interface of LaAlO3/SrTiO3. Applied Surface Science. 258 (23), 9242-9245 (2012).
- Trier, F., et al. Degradation of the interfacial conductivity in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures during storage at controlled environments. Solid State Ionics. 230, 12-15 (2013).
- Christensen, D. V., Smith, A.
- Gunkel, F., et al. Thermodynamic Ground States of Complex Oxide Heterointerfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (1), 1086-1092 (2017).
- Christensen, D. V., et al. Controlling the carrier density of SrTiO3-based heterostructures with annealing. Advanced Electronic Materials. 1700026. , (2017).
- Connell, J. G., Isaac, B. J., Ekanayake, G. B., Strachan, D. R., Seo, S. S. A. Preparation of atomically flat SrTiO3 surfaces using a deionized-water leaching and thermal annealing procedure. Applied Physics Letters. 101 (25), 251607-251607 (2012).
- Koster, G., Kropman, B. L., Rijnders, G. J., Blank, D. H., Rogalla, H. Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide. Applied Physics Letters. 73 (20), 2920-2922 (1998).
- Komiyama, M., Gu, M. Atomic force microscopy images of MgO (100) and TiO2 (110) under water and aqueous aromatic molecule solutions. Applied Surface Science. 120 (100), 125-128 (1997).
- Kawasaki, M., et al. Atomic control of the SrTiO3 crystal surface. Science. 266 (5190), 1540-1542 (1994).
- Chambers, S. A., Droubay, T. C., Capan, C., Sun, G. Y. Unintentional F doping of SrTiO3(001) etched in HF acid-structure and electronic properties. Surface Science. 606 (001), 554-558 (2012).
- vander Pauw, L. J. A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape. Philips Research Reports. 13, 1-9 (1958).
- Chen, Y. Z., et al. Room Temperature Formation of High-Mobility Two-Dimensional Electron Gases at Crystalline Complex Oxide Interfaces. Advanced Materials. 26, (2013).
- Christensen, D. V., et al.
- Cen, C., et al. Nanoscale control of an interfacial metal-insulator transition at room temperature. Nature Materials. 7 (4), 298-302 (2008).
- Cen, C., Thiel, S., Mannhart, J., Levy, J. Oxide Nanoelectronics on Demand. Science. 323 (5917), 1026-1030 (2009).
- Xu, C., et al. Disentanglement of growth dynamic and thermodynamic effects in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures. Scientific Reports. 6, 22410 (2016).
- Chambers, S. A. Understanding the mechanism of conductivity at the LaAlO3/SrTiO3(001) interface. Surface Science. 605 (001), 1133-1140 (2011).
- Nakagawa, N., Hwang, H. Y., Muller, D. A. Why some interfaces cannot be sharp. Nature Materials. 5 (3), 204-209 (2006).
- Sambri, A., et al. Plasma plume effects on the conductivity of amorphous-LaAlO3/SrTiO3 interfaces grown by pulsed laser deposition in O2. and Ar. Applied Physics Letters. 100 (23), 231605 (2012).
- Biscaras, J., et al. Limit of the electrostatic doping in two-dimensional electron gases. of LaXO3(X = Al, Ti)/SrTiO3. Scientific Reports. 4, 6788 (2014).
- Christensen, D. V., et al. Controlling interfacial states in amorphous/crystalline LaAlO3/SrTiO3 heterostructures by electric fields. Applied Physics Letters. 102 (2), 021602 (2013).
