Afstemmen van oxide-eigenschappen door zuurstofvacuümregeling tijdens groei en gloeien

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 dat^niet-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 van_3,2 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 interface^18,19 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 magnetische^{15,17-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).