Einstellen der Oxideigenschaften durch Sauerstoff-Fehlstellen-Kontrolle während des Wachstums und Glühens

Der Sauerstoffgehalt spielt eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften von oxidischen Materialien. Sauerstoff hat eine hohe Elektronegativität und zieht im vollionischen Grenzbereich zwei Elektronen aus benachbarten Kationen an. Diese Elektronen werden an das Gitter abgegeben, wenn sich eine Sauerstofflücke bildet. Die Elektronen können eingefangen werden und einen lokalisierten Zustand einnehmen, oder sie können delokalisiert werden und in der Lage sein, einen Ladungsstrom zu leiten. Die lokalisierten Zustände befinden sich typischerweise in der Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband mit einem Gesamtdrehimpuls, der ungleich^Null 1,2,3 sein kann. Die lokalisierten Zustände können also lokalisierte magnetische Momente bilden und einen großen Einfluss auf z.B. die optischen und magnetischen Eigenschaften^haben 1,2,3. Werden die Elektronen delokalisiert, tragen sie zur Dichte der wandernden Ladungsträger bei. Wenn sich außerdem eine Sauerstofflücke oder andere Defekte bilden, passt sich das Gitter an den Defekt an. Das Vorhandensein von Defekten kann daher auf natürliche Weise zu lokalen Dehnungsfeldern, Symmetriebrechung und einem veränderten elektronischen und ionischen Transport in Oxiden führen.

Die Kontrolle der Sauerstoffstöchiometrie ist daher oft der Schlüssel, um beispielsweise die optischen, magnetischen und Transporteigenschaften von oxidischen Materialien abzustimmen. Ein prominentes Beispiel sind SrTiO3- und SrTiO3-basierte Heterostrukturen, bei denen der Grundzustand der Materialsysteme sehr empfindlich auf den Sauerstoffgehalt reagiert. Undotiertes SrTiO3 ist ein nichtmagnetischer Isolator mit einer Bandlücke von 3,2 eV; Durch die Einführung von Sauerstoffleerstellen ändert SrTiO3 jedoch den Zustand von isolierend zu metallisch leitend mit einer Elektronenbeweglichkeit von mehr als 10.000 cm 2/Vs bei² K⁴. Bei tiefen Temperaturen (T < 450 mK) kann die Supraleitung sogar der bevorzugte Grundzustand^{sein 5,6}. Es wurde auch festgestellt, dass Sauerstofflücken in SrTiO₃ es ferromagnetisch^machen 7 und zu einem optischen Übergang im sichtbaren Spektrum von transparent zu^{undurchsichtig 2} führen. Seit mehr als einem Jahrzehnt besteht ein großes Interesse daran, verschiedene Oxide wie LaAlO3, CaZrO3 und_γ-Al2O3auf SrTiO3 abzuscheiden und die an der Grenzfläche auftretenden Eigenschaften zu untersuchen^{8,9,10,11,12,13} . In einigen Fällen stellt sich heraus, dass sich die Eigenschaften der Grenzfläche deutlich von denen unterscheiden, die in den Ausgangsmaterialien beobachtet wurden. Ein wichtiges Ergebnis der SrTiO-3-basierten Heterostrukturen ist, dass die Elektronen auf die Grenzfläche beschränkt werden können, wodurch es möglich ist, die Eigenschaften in Bezug auf die Dichte der wandernden Elektronen durch elektrostatisches Gating zu steuern. Auf diese Weise wird es möglich, beispielsweise die Elektronenbeweglichkeit 14,15, die Supraleitung 11^, die Elektronenpaarung 16 und den magnetischen Zustand ¹⁷ der Grenzfläche mit Hilfe elektrischer Felder einzustellen.

Die Ausbildung der Grenzfläche ermöglicht auch eine Kontrolle der SrTiO3-Chemie, wobei die Abscheidung des oberen Films auf SrTiO3 genutzt werden kann, um eine Redoxreaktion über die Grenzfläche^18,19 zu induzieren. Wenn ein Oxidfilm mit hoher Sauerstoffaffinität auf SrTiO3 abgeschieden wird, kann Sauerstoff von den oberflächennahen Teilen von SrTiO3 auf die obere Schicht übertragen werden, wodurch SrTiO3 reduziert und die obere Schicht oxidiert wird (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Sauerstoff-Fehlstellenbildung in_{SrTiO 3}. Schematische Darstellung der Bildung von Sauerstoffleerstellen und Elektronen im grenzflächennahen Bereich von SrTiO₃ bei der Abscheidung einer dünnen Schicht mit hoher Sauerstoffaffinität. Nachgedruckte Abbildung mit freundlicher Genehmigung einer Studie von Chen et ^al.18. Copyright 2011 von der American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

In diesem Fall bilden sich Sauerstoffleerstellen und Elektronen in der Nähe der Grenzfläche. Es wird erwartet, dass dieser Prozess der Ursprung der Leitfähigkeit ist, die während der Abscheidung an der Grenzfläche zwischen SrTiO3 und bei Raumtemperatur gewachsenen Metallfilmen oder Oxiden wie amorphem LaAlO3 18,20 oder_γ-Al2O3 ^10,21,22,23 gebildet wird. Daher sind die Eigenschaften dieser SrTiO-3-basierten Grenzflächen sehr empfindlich gegenüber dem Sauerstoffgehalt an der Grenzfläche.

Hier berichten wir über die Verwendung von Postdeposition Annealing und Variationen in den gepulsten Laserauftragsparametern, um die Eigenschaften in oxidischen Materialien durch Abstimmung des Sauerstoffgehalts zu kontrollieren. Wir verwenden_γ-Al2O3oder amorphes LaAlO3, das bei Raumtemperatur auf SrTiO3 abgeschieden wird, als Beispiele, wie die Ladungsträgerdichte, die Elektronenbeweglichkeit und der Schichtwiderstand um Größenordnungen verändert werden können, indem die Anzahl der Sauerstofflücken kontrolliert wird. Die Methoden bieten einige Vorteile, die über die mit elektrostatischem Gating erzielten Vorteile hinausgehen, die typischerweise zur Abstimmung^{der elektrischen} 9,11,14- und in einigen Fällen der magnetischen 15,17-Eigenschaften verwendet werden. Zu diesen Vorteilen gehören die Bildung eines (quasi-)stabilen Endzustands und die Vermeidung der Verwendung elektrischer Felder, die einen elektrischen Kontakt zur Probe erfordern und Nebenwirkungen verursachen können.

Im Folgenden werden allgemeine Ansätze zur Einstellung der Eigenschaften von Oxiden durch Kontrolle des Sauerstoffgehalts vorgestellt. Dies geschieht auf zwei Arten, nämlich 1) durch Variation der Wachstumsbedingungen bei der Synthese der Oxidmaterialien und 2) durch Ausglühen der Oxidmaterialien in Sauerstoff. Die Ansätze können angewendet werden, um eine Reihe von Eigenschaften in vielen Oxid- und einigen Monoxidmaterialien abzustimmen. Wir liefern ein konkretes Beispiel, wie die Ladungsträgerdichte an der Grenzfläche von SrTiO-3-basierten Heterostrukturen eingestellt werden kann. Stellen Sie sicher, dass ein hohes Maß an Sauberkeit ausgeübt wird, um eine Kontamination der Proben zu vermeiden (z. B. durch die Verwendung von Handschuhen, Rohröfen für_{SrTiO 3} und einer nicht magnetischen/säurebeständigen Pinzette).