Oxidematerialen vertonen veel exotische eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd door het zuurstofgehalte af te stemmen. Hier demonstreren we de afstemming van het zuurstofgehalte in oxiden door de gepulseerde laserdepositieparameters te variëren en door postgloeiing uit te voeren. Als voorbeeld worden elektronische eigenschappen van op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren afgestemd door groeimodificaties en gloeien.
Elektrische, optische en magnetische eigenschappen van oxidematerialen kunnen vaak worden geregeld door het zuurstofgehalte te variëren. Hier schetsen we twee benaderingen voor het variëren van het zuurstofgehalte en geven we concrete voorbeelden voor het afstemmen van de elektrische eigenschappen van op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren. In de eerste benadering wordt het zuurstofgehalte geregeld door de depositieparameters te variëren tijdens een gepulseerde laserafzetting. In de tweede benadering wordt het zuurstofgehalte afgestemd door de monsters na de filmgroei te onderwerpen aan gloeien in zuurstof bij verhoogde temperaturen. De benaderingen kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan oxiden en niet-oxidematerialen waarbij de eigenschappen gevoelig zijn voor een verandering in de oxidatietoestand.
De benaderingen verschillen aanzienlijk van elektrostatische gating, die vaak wordt gebruikt om de elektronische eigenschappen van begrensde elektronische systemen te veranderen, zoals die worden waargenomen in op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren. Door de zuurstofvacuümconcentratie te regelen, zijn we in staat om de draagdichtheid over vele ordes van grootte te regelen, zelfs in niet-geconfisqueerde elektronische systemen. Bovendien kunnen eigenschappen worden gecontroleerd, die niet gevoelig zijn voor de dichtheid van rondtrekkende elektronen.
Het zuurstofgehalte speelt een vitale rol in de eigenschappen van oxidematerialen. Zuurstof heeft een hoge elektronegativiteit en trekt in de volledig ionische limiet twee elektronen aan uit naburige kationen. Deze elektronen worden aan het rooster gedoneerd wanneer een zuurstofleegte wordt gevormd. De elektronen kunnen worden opgesloten en een gelokaliseerde toestand vormen, of ze kunnen gedelokaliseerd raken en in staat zijn om een ladingsstroom te geleiden. De gelokaliseerde toestanden bevinden zich meestal in de bandkloof tussen de valentie- en geleidingsband met een totaal impulsmoment datniet-nul 1,2,3 kan zijn. De gelokaliseerde toestanden kunnen dus gelokaliseerde magnetische momenten vormen en een grote invloed hebben op bijvoorbeeld de optische en magnetische eigenschappen 1,2,3. Als de elektronen gedelokaliseerd raken, dragen ze bij aan de dichtheid van rondtrekkende ladingsdragers. Bovendien, als een zuurstofleegte of andere defecten worden gevormd, past het rooster zich aan het defect aan. De aanwezigheid van defecten kan dus van nature leiden tot lokale rekvelden, symmetriebreuk en een gemodificeerd elektronisch en ionisch transport in oxiden.
Het regelen van de zuurstofstoichiometrie is daarom vaak de sleutel tot het afstemmen van bijvoorbeeld de optische, magnetische en transporteigenschappen van oxidematerialen. Een prominent voorbeeld is dat van op SrTiO 3 en SrTiO3 gebaseerde heterostructuren, waarbij de grondtoestand van de materiaalsystemen zeer gevoelig is voor het zuurstofgehalte. Ongeopte SrTiO 3 is een niet-magnetische isolator met een bandkloof van3,2 eV; door zuurstofvacatures te introduceren, verandert SrTiO3 echter de toestand van isolerend naar metaalgeleidend met een elektronenmobiliteit van meer dan 10.000 cm 2 / Vs bij2 K4. Bij lage temperaturen (T < 450 mK) kan supergeleiding zelfs de favoriete grondtoestand 5,6 zijn. Zuurstofvacatures in SrTiO3 blijken het ook ferromagnetisch7 te maken en resulteren in een optische overgang in het zichtbare spectrum van transparant naar ondoorzichtig2. Al meer dan een decennium is er een grote interesse in het afzetten van verschillende oxiden, zoals LaAlO 3, CaZrO 3 en γ-Al2O 3, op SrTiO 3 en het onderzoeken van de eigenschappen die ontstaan op het grensvlak 8,9,10,11,12,13 . In sommige gevallen blijkt dat de eigenschappen van de interface aanzienlijk verschillen van die waargenomen in de bovenliggende materialen. Een belangrijk resultaat van de op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren is dat de elektronen kunnen worden beperkt tot de interface, wat het mogelijk maakt om de eigenschappen met betrekking tot de dichtheid van rondtrekkende elektronen te regelen met behulp van elektrostatische gating. Op deze manier wordt het mogelijk om bijvoorbeeld de elektronenmobiliteit 14,15, supergeleiding 11, elektronenparing 16 en magnetische toestand 17 van de interface af te stemmen met behulp van elektrische velden.
De vorming van de interface maakt ook een controle van de SrTiO 3-chemie mogelijk, waarbij de afzetting van de bovenste film op SrTiO3 kan worden gebruikt om een redoxreactie over de interface18,19 te induceren. Als een oxidefilm met een hoge zuurstofaffiniteit wordt afgezet op SrTiO 3, kan zuurstof van de nabijgelegen delen van SrTiO 3 naar de bovenste film worden overgebracht, waardoor SrTiO3 wordt verminderd en de bovenste film wordt geoxideerd (zie figuur 1).
Figuur 1: Zuurstofvacaturevorming in SrTiO3. Schematische illustratie van hoe zuurstofvacatures en elektronen worden gevormd in het interface-nabije gebied van SrTiO3 tijdens de afzetting van een dunne film met een hoge zuurstofaffiniteit. Herdrukte figuur met toestemming uit een studie van Chen et al.18. Copyright 2011 door de American Chemical Society. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In dit geval worden zuurstofvacatures en elektronen gevormd in de buurt van het grensvlak. Dit proces zal naar verwachting de oorsprong zijn van de geleidbaarheid gevormd tijdens de afzetting op het grensvlak tussen SrTiO 3 en op kamertemperatuur gekweekte metaalfilms of oxiden zoals amorf LaAlO 3 18,20 of γ-Al2O3 10,21,22,23. De eigenschappen van deze op SrTiO3 gebaseerde interfaces zijn dus zeer gevoelig voor het zuurstofgehalte op de interface.
Hier rapporteren we het gebruik van postdepositiegloeien en variaties in de gepulseerde laserdepositieparameters om de eigenschappen in oxidematerialen te regelen door het zuurstofgehalte af te stemmen. We gebruiken γ-Al2O 3 of amorf LaAlO 3 afgezet op SrTiO3 bij kamertemperatuur als voorbeelden van hoe de dragerdichtheid, elektronenmobiliteit en plaatweerstand kunnen worden veranderd door ordes van grootte door het aantal zuurstofvacatures te regelen. De methoden bieden enkele voordelen die verder gaan dan die verkregen met elektrostatische gating, die meestal wordt gebruikt om de elektrische 9,11,14 en in sommige gevallen de magnetische15,17-eigenschappen af te stemmen. Deze voordelen omvatten het vormen van een (quasi-) stabiele eindtoestand en het vermijden van het gebruik van elektrische velden, die elektrisch contact met het monster vereisen en bijwerkingen kunnen veroorzaken.
In het volgende bespreken we algemene benaderingen voor het afstemmen van de eigenschappen van oxiden door het zuurstofgehalte te regelen. Dit gebeurt op twee manieren, namelijk 1) door de groeiomstandigheden te variëren bij het synthetiseren van de oxidematerialen en 2) door de oxidematerialen in zuurstof te gloeien. De benaderingen kunnen worden toegepast om een reeks eigenschappen in veel oxide- en sommige monoxidematerialen af te stemmen. We geven een concreet voorbeeld van hoe de draagdichtheid kan worden afgestemd op het grensvlak van op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren. Zorg ervoor dat een hoge mate van reinheid wordt uitgeoefend om besmetting van de monsters te voorkomen (bijvoorbeeld door handschoenen, buisovens speciaal voor SrTiO3 en niet-magnetische / zuurbestendige pincetten te gebruiken).
De hier beschreven methoden zijn gebaseerd op het gebruik van het zuurstofgehalte om oxide-eigenschappen te regelen, en de partiële zuurstofdruk en bedrijfstemperatuur zijn dus kritische parameters. Als de totale oxidatietoestand van het systeem zodanig is afgestemd dat het systeem in een thermodynamisch evenwicht met de omringende atmosfeer blijft (d.w.z. veranderde pO2 bij hoge temperatuur), kunnen de veranderingen omkeerbaar zijn. In het geval van op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren worden int…
The authors have nothing to disclose.
De auteurs bedanken J. Geyti van de Technische Universiteit van Denemarken voor zijn technische assistentie. F. Trier erkent de steun van onderzoekssubsidie VKR023371 (SPINOX) van VILLUM FONDEN. D. V. Christensen erkent de steun van Novo Nordisk Foundation NERD Programme: New Exploratory Research and Discovery, Superior Grant NNF21OC0068015.
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 |