我们制备金属/LaAlO₃3/SrTiO3 异质结构的制备采用脉冲激光沉积与 原位 磁控溅射。通过磁输运和 原位 通过X射线光电子能谱实验，我们研究了该系统中形成的准二维电子气的静电效应与化学现象之间的相互作用。
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本文内容
摘要
摘要
在氧化物电子学领域，LaAlO3（LAO）与 SrTiO3（STO）界面处形成的准二维电子体系（q2DES）引起了广泛关注。该体系的一个显著特征是：界面导电性的出现存在一个临界LAO厚度，即4个晶胞（uc）。尽管过去曾提出静电机制来解释这一临界厚度的存在，但近年来化学缺陷的重要性日益凸显。本文介绍了在超高真空（UHV）集成系统中生长金属/LAO/STO异质结构的方法，该系统结合了脉冲激光沉积（用于生长LAO）、磁控溅射（用于生长金属）和X射线光电子能谱（XPS）。我们逐步研究了q2DES的形成与演化过程，以及金属与LAO/STO之间发生的化学相互作用。此外，磁输运实验揭示了q2DES的输运特性与电子性质。这项系统性工作不仅展示了一种研究q2DES与其环境之间静电与化学相互作用的有效途径，还为将多功能覆盖层与二维电子体系中丰富的物理现象相耦合提供了可能，从而推动新型器件的制备。
引言
准二维电子体系（q2DES）已被广泛用作研究多种低维和量子现象的平台。自关于LaAlO3/SrTiO3体系（LAO/STO）的开创性论文发表以来1，一系列能够承载新型界面电子相的体系相继被构建出来。通过结合不同材料，研究人员发现了具有额外特性的准二维电子体系，例如电场可调的自旋极化2、极高的电子迁移率3，以及与铁电性耦合的现象4。尽管已有大量工作致力于揭示这些体系的形成机制与调控方法，但在条件相当相似的情况下，不同实验和技术仍呈现出相互矛盾的结果。此外，静电相互作用与化学相互作用之间的平衡被发现对于正确理解其中的物理机制至关重要5,6,7。
本文中，我们详细描述了利用脉冲激光沉积（PLD）技术结合不同金属/LAO/STO异质结构的生长过程， 原位 磁控溅射。随后，为了理解LAO/STO界面处埋藏量子二维电子系统（q2DES）中不同表面条件的影响，通过输运测量和电子能谱实验对其进行了电子结构与化学性质的研究。
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方案
注意：本方案中描述的全部5个步骤均可随时暂停并重新启动，唯一条件是从步骤3.4至步骤5期间，样品必须保持在高真空状态下。
1. STO(001) 衬底终止面：
- 将超声波清洗器（配备40 kHz换能器）注入水并加热至60 °C。取一个硼硅酸盐玻璃烧杯，加入丙酮。无论烧杯大小，均需至少填充其最大体积的20%，以确保基底完全浸没。
- 将一个开箱即用的、混合终止的单面抛光（001）取向STO单晶基底（55 mm2 在硼硅酸盐玻璃烧杯内，横向尺寸为若干毫米，厚度为0.5 mm，偏角在0.01°至0.02°之间。
- 将基底在丙酮中进行超声处理3分钟。使用操作压力约为5 bar的氮气吹干枪干燥基底。
- 重复步骤1.1的操作，但依次使用异丙醇和去离子水。
- 将洁净的基底放入由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成的样品托中 "浸渍器" 形状（图1a）。用另一个硼硅酸盐玻璃烧杯（图1b用去离子水冲洗。
注意： 烧杯应足够大，以便样品架能够放入其中。
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结果
用于生长与表征的完整实验系统如图所示 图2建议通过分配室将不同的装置在超高真空（UHV）条件下连接，以确保每次生长过程后样品表面保持洁净。PLD 腔室（图3），磁控溅射（图7）和XPS腔室（图8）也进行了详细描述。关于PLD装置中光路的附加信息如图所示。 图4a 和 4b （改编自参考文献）18）。需要注意的是，本方案中讨论的每种技术的实验条件可能因每个腔室的具体几何结构、所用靶标的类型或设备的类型而有所不同。
在开始生长之前，我们通过原子力显.......
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讨论
在衬底终止过程中，应极其注意在HF溶液中的浸入时间。我们发现，相对于原始方案仅改变5秒，就会导致表面出现刻蚀不足或过度刻蚀的现象。此外，我们还观察到衬底台阶尺寸与浸入时间之间存在依赖关系。对于较小的台阶尺寸（小于100 nm），浸入30秒可能导致过度刻蚀，尽管后续退火过程可能足以使表面充分重构。由于使用基于HF的酸存在风险，我们还建议优化采用HCl-HNO3酸性溶液终止12或无酸终止技术13，这些方法应能达到类似的效果。
关于 LAO 的生长，我们建议使用单晶靶材，以避免特定组分可能发生的选择性烧蚀，这种情况在陶瓷/烧结靶材中尤为明显。在我们的实验中，使用陶瓷靶材生长的样品表现出绝缘特性，极有可能是由于所生长薄膜的非化学计量比所致20。我们所描述的 20000 次脉冲预烧蚀步骤看似过长，但我们发现，若忽略此步骤，材料的输运性能会迅速恶化。使用少于 10000 次脉冲进行预烧蚀时，反复观察到 LAO/STO 界面呈现绝缘.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究获得了欧洲研究理事会整合基金 #615759 "MINT"、法兰西岛大区 DIM "Oxymore"（项目 "NEIMO"）以及法国国家科研署项目 "NOMILOPS" 的资助。H.N. 的部分研究工作由英国工程与自然科学研究理事会—日本学术振兴会核心对核心项目、日本学术振兴会科学研究费补助金（B）（#15H03548）支持。A.S. 的研究由德国研究基金会（HO 53461-1；授予 A.S. 的博士后奖学金）资助。D.C.V. 感谢法国高等教育与研究部及法国国家科学研究中心对其博士学位论文研究的经费支持。J.S. 感谢巴黎-萨克雷大学（达朗贝尔项目）及法国国家科学研究中心对其在法国国家科学研究中心/泰雷兹研究所访学期间的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 脉冲激光沉积 | 表面 | PLD 工作站 + 超高真空集成系统 | |
| KrF准分子激光器 | 相干的 | Compex Pro 201F | |
| 反射高能电子衍射（电子枪） | R-Dec Co., Ltd. | RDA-003G | 由 SURFACE 在欧洲发行。 |
| 反射高能电子衍射（CCD相机） | k-Space Associates, Inc. | kSA 400 | |
| 可变激光束衰减器 | Metrolux | ML 2100 | |
| 准分子激光传感器 | 相干 | J-50MUV-248 | |
| LaAlO3 目标 | CrysTec | 单晶靶 | |
| SrTiO₃3 底物 | CrysTec | 多种不同规格。可订购 TiO2 终止。 | |
| 缓冲氢氟酸 | 技术 | BOE 7:1 | 缓冲氢氟酸 = BOE 7:1（HF : NH4F = 12.5 : 87.5%）中 VLSI级 |
| 银浆 | DuPont | 4929N | 导电银复合材料 |
| 超声波清洗机 | Bransonic | 12 | 超声波清洗仪 |
| 管式炉 | AET Technologies | 热处理炉 | |
| 硼硅酸盐玻璃烧杯 | VWR | 213-1128 | 低形式 |
| 聚四氟乙烯烧杯 | Dynalon | 聚四氟乙烯烧杯 | |
| 基底支架 "浸渍器" | Eberlé | 定制化浸渍器 | |
| 磁控溅射 | PLASSYS | 溅射系统 | 5个用于目标物的腔室 |
| 金属靶材 | Neyco S.A. | 纯度 > 99.9% | |
| X射线光电子能谱系统 | 奥密克戎 | 定制XPS系统 | |
| X射线源 | 奥密克戎 | DAR 400 | 双阳极X射线源 |
| 能量分析仪 | 奥密克戎 | EA 125 | |
| 原子力显微镜 | Bruker | Innova 原子力显微镜 | |
| 原子力显微镜探针 | Olympus | OMCL-AC160TS-R3 | 微悬臂梁 |
| 引线键合 | Kulicke & Soffa | 4523AD | |
| PPMS | Quantum Design | PPMS Dynacool | 9T 磁体 |
参考文献
- Ohtomo, A., Hwang, H. Y. A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Nature. 427, 423-426 (2004).
- Stornaiuolo, D., et al. Tunable spin polarization and superconductivity in engineered oxide interfaces. Nat. Mater. 15 (....
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重印与许可
