विकास और एनीलिंग के दौरान ऑक्सीजन रिक्ति नियंत्रण द्वारा ट्यूनिंग ऑक्साइड गुण
Summary
ऑक्साइड सामग्री कई विदेशी गुण दिखाती है जिसे ऑक्सीजन सामग्री को ट्यून करके नियंत्रित किया जा सकता है। यहां, हम स्पंदित लेजर जमाव मापदंडों को बदलकर और पोस्टएनीलिंग करके ऑक्साइड में ऑक्सीजन सामग्री की ट्यूनिंग का प्रदर्शन करते हैं। एक उदाहरण के रूप में, SrTiO3-आधारित एस्ट्रोफिजिक्स के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को विकास संशोधनों और एनीलिंग द्वारा ट्यून किया जाता है।
Abstract
ऑक्साइड सामग्री के विद्युत, ऑप्टिकल और चुंबकीय गुणों को अक्सर ऑक्सीजन सामग्री को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है। यहां हम ऑक्सीजन सामग्री को बदलने के लिए दो दृष्टिकोणों की रूपरेखा तैयार करते हैं और SrTiO3-आधारित एस्ट्रोफिजिक्स के विद्युत गुणों को ट्यून करने के लिए ठोस उदाहरण प्रदान करते हैं। पहले दृष्टिकोण में, स्पंदित लेजर जमाव के दौरान जमाव मापदंडों को बदलकर ऑक्सीजन सामग्री को नियंत्रित किया जाता है। दूसरे दृष्टिकोण में, फिल्म के विकास के बाद उच्च तापमान पर ऑक्सीजन में एनीलिंग के लिए नमूनों के अधीन करके ऑक्सीजन सामग्री को ट्यून किया जाता है। दृष्टिकोण का उपयोग ऑक्साइड और नॉनऑक्साइड सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए किया जा सकता है जहां गुण ऑक्सीकरण अवस्था में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील होते हैं।
दृष्टिकोण इलेक्ट्रोस्टैटिक गेटिंग से काफी भिन्न होते हैं, जिसका उपयोग अक्सर सीमित इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बदलने के लिए किया जाता है जैसे कि SrTiO 3-आधारित एस्ट्रोफिजिक्स में देखा गया है। ऑक्सीजन रिक्ति एकाग्रता को नियंत्रित करके, हम गैर-सीमित इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में भी परिमाण के कई आदेशों पर वाहक घनत्व को नियंत्रित करने में सक्षम हैं। इसके अलावा, गुणों को नियंत्रित किया जा सकता है, जो इटिनेरेंट इलेक्ट्रॉनों के घनत्व के प्रति संवेदनशील नहीं हैं।
Introduction
ऑक्सीजन सामग्री ऑक्साइड सामग्री के गुणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। ऑक्सीजन में एक उच्च इलेक्ट्रोनगेटिविटी होती है और, पूरी तरह से आयनिक सीमा में, पड़ोसी पिंजरों से दो इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है। ऑक्सीजन रिक्ति बनने पर इन इलेक्ट्रॉनों को जाली में दान किया जाता है। इलेक्ट्रॉनों को फंसाया जा सकता है और एक स्थानीय अवस्था बना सकते हैं, या वे स्थानीयकृत हो सकते हैं और चार्ज करंट का संचालन करने में सक्षम हो सकते हैं। स्थानीयकृत अवस्थाएं आम तौर पर वैलेंस और चालन बैंड के बीच बैंड गैप में स्थित होती हैं, जिसमें कुल कोणीय गति होती है जोगैर-शून्य 1,2,3 हो सकती है। इस प्रकार, स्थानीयकृत अवस्थाएं स्थानीयकृत चुंबकीय क्षणों का निर्माण कर सकती हैं और उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल और चुंबकीयगुणों 1,2,3 पर बड़ा प्रभाव डाल सकती हैं। यदि इलेक्ट्रॉन ों को विघटित किया जाता है, तो वे इटिनेरेंट चार्ज वाहक के घनत्व में योगदान करते हैं। इसके अलावा, यदि ऑक्सीजन रिक्ति या अन्य दोष बनते हैं, तो जाली दोष के अनुकूल होती है। इस प्रकार, दोषों की उपस्थिति स्वाभाविक रूप से स्थानीय तनाव क्षेत्रों, समरूपता टूटने और ऑक्साइड में एक संशोधित इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक परिवहन का कारण बन सकती है।
इसलिए, ऑक्सीजन स्टोइकोमेट्री को नियंत्रित करना अक्सर ट्यून करने के लिए महत्वपूर्ण है, उदाहरण के लिए, ऑक्साइड सामग्री के ऑप्टिकल, चुंबकीय और परिवहन गुण। एक प्रमुख उदाहरण SrTiO3 और SrTiO 3-आधारित एस्ट्रोफिजिक्स का है, जहां सामग्री प्रणालियों की जमीनी स्थिति ऑक्सीजन सामग्री के प्रति बहुत संवेदनशील है। अनडोप्ड एसआरटीआईओ3 3.2 ईवी के बैंड गैप के साथ एक गैर-चुंबकीय इन्सुलेटर है; हालांकि, ऑक्सीजन रिक्तियों को पेश करके, एसआरटीआईओ3 2 के4 पर 10,000 सेमी 2/वीएस से अधिक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता के साथ इन्सुलेटिंग सेधातु संचालन में राज्य को बदल देता है। कम तापमान (टी < 450 एमके) पर, सुपरकंडक्टिविटी भी पसंदीदा ग्राउंड स्टेट 5,6 हो सकती है। SrTiO3 में ऑक्सीजन रिक्तियों को फेरोमैग्नेटिक7 प्रस्तुत करने के लिए भी पाया गया है और इसके परिणामस्वरूप दृश्यमान स्पेक्ट्रम में पारदर्शी से अपारदर्शी2 तक एक ऑप्टिकल संक्रमण होता है। एक दशक से अधिक समय से, SrTiO 3 पर LaAlO 3, CaZrO3, और γ-Al 2 O3 जैसे विभिन्न ऑक्साइड जमा करने और इंटरफ़ेस 8,9,10,11,12,13 पर उत्पन्न गुणों की जांच करने में बड़ी रुचि रही है। . कुछ मामलों में, यह पता चला है कि इंटरफ़ेस के गुण मूल सामग्री में देखे गए लोगों से स्पष्ट रूप से भिन्न होते हैं। SrTiO3-आधारित एस्ट्रोफिजिक्स का एक महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि इलेक्ट्रॉनों को इंटरफ़ेस तक सीमित किया जा सकता है, जिससे इलेक्ट्रोस्टैटिक गेटिंग का उपयोग करके इटिनेरेंट इलेक्ट्रॉनों के घनत्व से संबंधित गुणों को नियंत्रित करना संभव हो जाता है। इस तरह, विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन गतिशीलता14,15, सुपरकंडक्टिविटी11, इलेक्ट्रॉनपेयरिंग 16, और इंटरफ़ेस के चुंबकीय अवस्था17 को ट्यून करना संभव हो जाता है।
इंटरफ़ेस का गठन SrTiO3 रसायन विज्ञान के नियंत्रण को भी सक्षम करता है, जहां SrTiO3 पर शीर्ष फिल्म के जमाव का उपयोग इंटरफ़ेस18,19 में रेडॉक्स प्रतिक्रिया को प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है। यदि उच्च ऑक्सीजन आत्मीयता वाली ऑक्साइड फिल्म SrTiO 3 पर जमा की जाती है, तो ऑक्सीजन SrTiO3 के निकट-सतह भागों से शीर्ष फिल्म में स्थानांतरित हो सकती है, जिससे SrTiO3 कम हो जाता है और शीर्ष फिल्म का ऑक्सीकरण होता है (चित्रा 1 देखें)।
चित्रा 1: SrTiO3 में ऑक्सीजन रिक्ति गठन। उच्च ऑक्सीजन आत्मीयता के साथ एक पतली फिल्म के जमाव के दौरान SrTiO3 के इंटरफ़ेस-निकट क्षेत्र में ऑक्सीजन रिक्तियों और इलेक्ट्रॉनों का निर्माण कैसे होता है, इसका योजनाबद्ध चित्रण। चेन एट अल.18 द्वारा एक अध्ययन की अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित आंकड़ा। कॉपीराइट 2011 अमेरिकन केमिकल सोसाइटी द्वारा। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
इस मामले में, इंटरफ़ेस के पास ऑक्सीजन रिक्तियां और इलेक्ट्रॉन बनते हैं। इस प्रक्रिया से SrTiO 3 और कमरे के तापमान में विकसित धातु फिल्मों या ऑक्साइड जैसे अनाकार LaAlO3 18,20 या γ-Al 2 O 3 10,21,22,23 के बीच इंटरफ़ेस पर जमाव के दौरान गठित चालकता कीउत्पत्ति होने की उम्मीद है। इस प्रकार, इन SrTiO3-आधारित इंटरफेस के गुण इंटरफ़ेस पर ऑक्सीजन सामग्री के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं।
यहां, हम ऑक्सीजन सामग्री को ट्यून करके ऑक्साइड सामग्री में गुणों को नियंत्रित करने के लिए स्पंदित लेजर जमाव मापदंडों में पोस्टडिपोजिशन एनीलिंग और विविधताओं के उपयोग की रिपोर्ट करते हैं। हम कमरे के तापमान पर SrTiO 3 पर जमा γ-Al2O3 या अनाकार LaAlO3 का उपयोग उदाहरणके रूप में करते हैं कि ऑक्सीजन रिक्तियों की संख्या को नियंत्रित करके वाहक घनत्व, इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और शीट प्रतिरोध को परिमाण के आदेशों से कैसे बदला जा सकता है। विधियां इलेक्ट्रोस्टैटिक गेटिंग के साथ प्राप्त लोगों से परे कुछ लाभ प्रदान करती हैं, जिसका उपयोग आमतौर पर विद्युत 9,11,14 और कुछ मामलों में चुंबकीय 15,17 गुणों को ट्यून करने के लिए किया जाता है। इन लाभों में एक (अर्ध-) स्थिर अंतिम अवस्था बनाना और विद्युत क्षेत्रों के उपयोग से बचना शामिल है, जिसके लिए नमूने के लिए विद्युत संपर्क की आवश्यकता होती है और दुष्प्रभाव हो सकते हैं।
निम्नलिखित में, हम ऑक्सीजन सामग्री को नियंत्रित करके ऑक्साइड के गुणों को ट्यून करने के लिए सामान्य दृष्टिकोणों की समीक्षा करते हैं। यह दो तरीकों से किया जाता है, अर्थात्, 1) ऑक्साइड सामग्री को संश्लेषित करते समय विकास की स्थिति को बदलकर, और 2) ऑक्सीजन में ऑक्साइड सामग्री को एनील करके। दृष्टिकोण को कई ऑक्साइड और कुछ मोनोऑक्साइड सामग्रियों में गुणों की एक श्रृंखला को ट्यून करने के लिए लागू किया जा सकता है। हम SrTiO 3-आधारित एस्ट्रोफिजिक्स के इंटरफ़ेस पर वाहक घनत्व को ट्यून करने के तरीके पर एक ठोस उदाहरण प्रदान करते हैं। सुनिश्चित करें कि नमूनों के संदूषण से बचने के लिए उच्च स्तर की स्वच्छता का प्रयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए, दस्ताने, SrTiO3 के लिए समर्पित ट्यूब भट्टियों, और गैर-चुंबकीय / एसिड प्रतिरोधी चिमटी का उपयोग करके)।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहां वर्णित विधियां ऑक्साइड गुणों को नियंत्रित करने के लिए ऑक्सीजन सामग्री का उपयोग करने पर निर्भर करती हैं, और ऑक्सीजन आंशिक दबाव और ऑपरेटिंग तापमान, इस प्रकार, महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। यदि सिस्टम क?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक अपनी तकनीकी सहायता के लिए डेनमार्क के तकनीकी विश्वविद्यालय से जे गीती को धन्यवाद देते हैं। एफ ट्रायर ने विल्लम फोंडन से अनुसंधान अनुदान वीकेआर 023371 (स्पिनॉक्स) द्वारा समर्थन स्वीकार किया। क्रिस्टेनसेन ने नोवो नॉर्डिस्क फाउंडेशन एनईआरडी कार्यक्रम: नई खोजपूर्ण अनुसंधान और खोज, सुपीरियर ग्रांट एनएनएफ 21ओसी0068015 के समर्थन को स्वीकार किया।
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 |
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| 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 |
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| Furnace | Custom made | Custom written software control of a FTTF 500/70 tube furnace from Scandia Ovnen AS and a eurotherm 2216e temperature controller |
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