通过生长与退火过程中的氧空位调控来调节氧化物性质

本文介绍的方法能够在氧化物薄膜的沉积过程中及沉积后控制其中的氧空位数量。该方法的主要优势在于，通过调节氧空位的浓度，可对材料的电学和磁学性能进行调控。在大多数氧化物材料中，氧空位作为功能性缺陷存在，因此，利用该方法通过缺陷工程可系统地调控多种氧化物的性能。

演示该实验步骤的是来自我们实验室的博士后Shinhee以及两位博士生Carlos和Eric。首先，购买表面终止态混合的钛酸锶衬底，其相对于晶面的典型表面倾角为0.05至0.2度。将所需数量的衬底在丙酮中进行超声清洗，持续五分钟。

然后将基底在洁净的水中于70摄氏度下超声处理20分钟，该过程可溶解氧化锶，或在以氧化锶终止的表面区域形成氢氧化锶络合物，同时保持化学性质稳定的、以二氧化钛终止的区域不变。在此期间，通过将盐酸缓慢加入水中，再将硝酸加入该溶液中，配制王水溶液。接着，在通风橱中将基底置于含有盐酸、硝酸和水的酸性溶液中，于70摄氏度下超声处理20分钟，以选择性刻蚀氧化锶，这是由于氧化锶表面区域呈碱性、二氧化钛具有酸性特性，以及氢氧化锶络合物的存在所致。

在通风橱中，将基底置于100毫升洁净水中，于室温下超声处理5分钟，以去除基底上的残留酸。随后，将基底放入陶瓷管式炉中，在1 bar氧气气氛下，以每小时100°C的升温和冷却速率，于1,000°C加热1小时，使基底表面弛豫至低能态。为在基底上沉积薄膜，根据是否需在沉积过程中进行NC2输运测量，将基底安装在加热器或芯片载具上。

接下来，将二氧化钛终止的衬底放置在单晶氧化铝靶材前方4.7厘米处，用于在室温下典型地在钛酸锶上沉积γ-氧化铝。在10⁻⁵毫巴的氧气压力下，准备从单晶氧化铝靶材进行烧蚀。通过调节氧气沉积压力在10⁻⁶至0.1毫巴范围内，或通过改变其他沉积参数，利用氧含量来调控薄膜性能。

孵育后，观察基底上γ-氧化铝沉积的所需厚度。接着，将样品从沉积室中取出，并停止所有电学测量。然后将样品保存在真空环境中。

当样品保存在真空或氮气环境中时，其降解速度最慢。使用银浆将样品固定在芯片载具上，然后采用铝线楔形引线键合技术，按照范德堡几何结构将样品与芯片载具进行电学连接。

接下来，将带有样品的芯片载片放入密闭炉中。然后使用带有耐热绝缘层的连接器和导线，将芯片载片与测量设备进行电连接，并开始测量方块电阻。随后，将装有样品的芯片载片置于密闭炉内，用退火所用气体充分吹扫，同时检测样品电阻是否对气氛变化敏感。

根据顶层薄膜的厚度和期望的氧掺入速率，使用所需的退火程序对样品进行退火。当方阻发生预期变化时，终止退火过程。利用此装置，可在脉冲激光沉积过程中原位监测氧化物异质结构（如γ-氧化铝/钛酸锶和铝酸镧/钛酸锶）的方阻演变情况。

当通过离位测量或原位氧气冲洗改变测量环境时，可以观察到基于钛酸锶的异质结构的方块电阻发生显著变化。在氧化铝（γ相）沉积于钛酸锶的样品中，电子迁移率在室温下基本保持不变，但在2 K时，随着沉积压力的变化表现出显著改变。氧化物异质结构的性质也可在沉积后通过退火处理进行调控。

最终状态由退火时间、退火温度和退火气氛决定。测量了由γ-氧化铝或非晶态铝酸镧 capped 的钛酸锶异质结构组成的异质结在不同退火温度下的薄膜电导率。在非晶态铝酸镧/钛酸锶异质结构中观察到电导率下降最快。

对于钛酸锶异质结构，载流子浓度通过调控退火过程和氧气环境来控制。连续的退火步骤会导致载流子浓度稳步降低，并使界面从金属导电态转变为绝缘态。改变钛酸锶异质结构中的导电状态可以实现不同的物理特性。

在此，使用导电原子力显微镜在退火前无法实现纳米线的书写。然而，退火后可在界面处写入并擦除导电线路。利用该方法，我们能够系统地调控氧化物异质结构的磁学与电子特性，从而研究氧空位在决定这些特性中的作用。