Summary
Oksit malzemeler, oksijen içeriğini ayarlayarak kontrol edilebilen birçok egzotik özellik gösterir. Burada, darbeli lazer biriktirme parametrelerini değiştirerek ve tavlama sonrası gerçekleştirerek oksitlerdeki oksijen içeriğinin ayarlanmasını gösteriyoruz. Örnek olarak, SrTiO3 tabanlı heteroyapıların elektronik özellikleri, büyüme modifikasyonları ve tavlama ile ayarlanır.
Abstract
Oksit malzemelerin elektriksel, optik ve manyetik özellikleri genellikle oksijen içeriğini değiştirerek kontrol edilebilir. Burada oksijen içeriğini değiştirmek için iki yaklaşımı özetliyoruz ve SrTiO3 tabanlı heteroyapıların elektriksel özelliklerini ayarlamak için somut örnekler sunuyoruz. İlk yaklaşımda, oksijen içeriği, darbeli bir lazer biriktirme sırasında biriktirme parametreleri değiştirilerek kontrol edilir. İkinci yaklaşımda, oksijen içeriği, numunelerin film büyümesinden sonra yüksek sıcaklıklarda oksijende tavlamaya tabi tutulmasıyla ayarlanır. Yaklaşımlar, özelliklerin oksidasyon durumundaki bir değişikliğe duyarlı olduğu çok çeşitli oksitler ve oksit olmayan malzemeler için kullanılabilir.
Yaklaşımlar, SrTiO3 tabanlı heteroyapılarda gözlemlenenler gibi sınırlı elektronik sistemlerin elektronik özelliklerini değiştirmek için sıklıkla kullanılan elektrostatik geçitten önemli ölçüde farklıdır. Oksijen boşluk konsantrasyonunu kontrol ederek, sınırlı olmayan elektronik sistemlerde bile, taşıyıcı yoğunluğunu birçok büyüklük sırasına göre kontrol edebiliyoruz. Ayrıca, gezici elektronların yoğunluğuna duyarlı olmayan özellikler kontrol edilebilir.
Introduction
Oksijen içeriği, oksit malzemelerin özelliklerinde hayati bir rol oynar. Oksijen yüksek bir elektronegatifliğe sahiptir ve tamamen iyonik sınırda, komşu katyonlardan iki elektron çeker. Bu elektronlar, bir oksijen boşluğu oluştuğunda kafese bağışlanır. Elektronlar hapsedilebilir ve lokalize bir durum oluşturabilir veya delokalize olabilirler ve bir yük akımı iletebilirler. Lokalize durumlar tipik olarak değerlik ve iletim bandı arasındaki bant boşluğunda, sıfır olmayan 1,2,3 olabilen toplam açısal momentuma sahip olarak bulunur. Lokalize durumlar, böylece, lokalize manyetik momentler oluşturabilir ve örneğin optik ve manyetik özelliklerüzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir 1,2,3. Elektronlar delokalize olursa, gezici yük taşıyıcılarının yoğunluğuna katkıda bulunurlar. Ek olarak, bir oksijen boşluğu veya başka kusurlar oluşursa, kafes kusura uyum sağlar. Bu nedenle, kusurların varlığı doğal olarak yerel gerinim alanlarına, simetri kırılmasına ve oksitlerde modifiye edilmiş elektronik ve iyonik taşımaya yol açabilir.
Bu nedenle, oksijen stokiyometrisini kontrol etmek, örneğin oksit malzemelerin optik, manyetik ve taşıma özelliklerini ayarlamak için genellikle anahtardır. Göze çarpan bir örnek, malzeme sistemlerinin zemin durumunun oksijen içeriğine çok hassas olduğu SrTiO 3 ve SrTiO3 tabanlı heteroyapılardır. Katkısız SrTiO 3,3.2 eV bant aralığına sahip manyetik olmayan bir yalıtkandır; Bununla birlikte, oksijen boşlukları getirerek, SrTiO3, durumu yalıtımdan metalik iletkenliğe, 2K4'te 10.000 cm2 / V'yi aşan bir elektron hareketliliği ile değiştirir. Düşük sıcaklıklarda (T < 450 mK), süper iletkenlik tercih edilen zemin durumu 5,6 bile olabilir. SrTiO3'teki oksijen boşluklarının da onu ferromanyetik7 haline getirdiği ve görünür spektrumda şeffaftan opak2'ye optik bir geçişe neden olduğu bulunmuştur. On yıldan fazla bir süredir, LaAlO 3, CaZrO3 ve γ-Al2O 3 gibi çeşitli oksitlerin SrTiO 3 üzerinde biriktirilmesine ve 8,9,10,11,12,13 arayüzünde ortaya çıkan özelliklerin incelenmesine büyük ilgi duyulmaktadır . Bazı durumlarda, arayüzün özelliklerinin ana malzemelerde gözlemlenenlerden belirgin şekilde farklı olduğu ortaya çıkmaktadır. SrTiO3 tabanlı heteroyapıların önemli bir sonucu, elektronların arayüzle sınırlandırılabilmesidir, bu da elektrostatik geçit kullanarak gezici elektronların yoğunluğu ile ilgili özellikleri kontrol etmeyi mümkün kılar. Bu şekilde, örneğin, elektron hareketliliği 14,15, süperiletkenlik11, elektron eşleştirme 16 ve arayüzün manyetik durumu 17'yi elektrik alanlarını kullanarak ayarlamak mümkün hale gelir.
Arayüzün oluşumu aynı zamanda SrTiO 3 kimyasının kontrolünü sağlar, burada üst filmin SrTiO3 üzerinde birikmesi, arayüz18,19 boyunca bir redoks reaksiyonu indüklemek için kullanılabilir. SrTiO 3 üzerinde yüksek oksijen afinitesine sahip bir oksit filmi biriktirilirse, oksijen SrTiO 3'ün yüzeye yakın kısımlarından üst filme aktarılabilir, böylece SrTiO3'ü azaltabilir ve üst filmi oksitleyebilir (bkz. Şekil 1).
Şekil 1: SrTiO3'te oksijen boşluk oluşumu. Yüksek oksijen afinitesine sahip ince bir filmin birikmesi sırasında SrTiO3'ün arayüze yakın bölgesinde oksijen boşluklarının ve elektronların nasıl oluştuğunun şematik gösterimi. Chen ve ark.18 tarafından yapılan bir çalışmanın izniyle yeniden basılmış şekil. Telif Hakkı 2011 Amerikan Kimya Derneği tarafından. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Bu durumda, arayüzün yakınında oksijen boşlukları ve elektronlar oluşur. Bu işlemin, SrTiO 3 ile oda sıcaklığında yetiştirilen metal filmler veya amorf LaAlO 3 18,20 veya γ-Al2O3 10,21,22,23 gibi oksitler arasındaki arayüzde birikme sırasında oluşan iletkenliğin kaynağı olması beklenmektedir. Bu nedenle, bu SrTiO3 tabanlı arayüzlerin özellikleri, arayüzdeki oksijen içeriğine karşı oldukça hassastır.
Burada, oksijen içeriğini ayarlayarak oksit malzemelerdeki özellikleri kontrol etmek için postdepozisyon tavlama ve darbeli lazer biriktirme parametrelerindeki varyasyonların kullanımını sunuyoruz. Oda sıcaklığında SrTiO 3 üzerine biriken γ-Al2O 3 veya amorf LaAlO 3'ü, taşıyıcı yoğunluğunun, elektron hareketliliğinin ve tabaka direncinin, oksijen boşluklarının sayısını kontrol ederek büyüklük sırasına göre nasıl değiştirilebileceğine örnek olarak kullanıyoruz. Yöntemler, tipik olarak elektriksel 9,11,14 ve bazı durumlarda manyetik15,17 özelliklerini ayarlamak için kullanılan elektrostatik geçit ile elde edilenlerin ötesinde bazı faydalar sunar. Bu faydalar, (yarı-) kararlı bir nihai durum oluşturmayı ve numuneye elektrik teması gerektiren ve yan etkilere neden olabilecek elektrik alanlarının kullanılmasından kaçınmayı içerir.
Aşağıda, oksijen içeriğini kontrol ederek oksitlerin özelliklerini ayarlamak için genel yaklaşımları gözden geçiriyoruz. Bu, 1) oksit malzemelerini sentezlerken büyüme koşullarını değiştirerek ve 2) oksit malzemelerini oksijende tavlayarak iki şekilde yapılır. Yaklaşımlar, birçok oksit ve bazı monoksit malzemelerinde bir dizi özelliği ayarlamak için uygulanabilir. SrTiO3 tabanlı heteroyapıların arayüzünde taşıyıcı yoğunluğunun nasıl ayarlanacağına dair somut bir örnek sunuyoruz. Numunelerin kirlenmesini önlemek için yüksek düzeyde temizlik yapıldığından emin olun (örneğin, eldivenler, SrTiO3'e adanmış borulu fırınlar ve manyetik/aside dayanıklı olmayan cımbızlar kullanarak).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Değişen büyüme koşulları ile özelliklerin kontrol edilmesi
- SrTiO3'ün yüksek kaliteli yüzeylerinin hazırlanması
- (001) kristal düzlemlere göre tipik yüzey açısı 0,05°–0,2° olan karışık sonlandırılmış SrTiO3 substratları (örneğin, 5 mm x 5 mm x 0,5 mm boyutlarında) satın alın.
NOT: Yanlış kesim açısı, yüzeyin düzlüğünü belirler, bu da substrat üzerindeki epitaksiyel büyüme ve arayüzde ortaya çıkan özellikler için önemlidir. - Standart bir ultrasonicator'da oda sıcaklığında 5 dakika boyunca asetonda ultrasonikasyon ve 5 dakika boyunca etanol ile istenen sayıda substratı temizleyin.
- Ultrasonikat 20 dakika boyunca temiz suda 70 ° C'de, hangi SrO24 çözünür veya SrO 25 ile sonlandırılan yüzey alanlarında Sr-hidroksit kompleksleri oluşturur, kimyasal olarak kararlı TiO2-sonlandırılmış alanları değişmeden bırakırken 26.
- Bir 3: 1: 16 HCl: HNO 3: H2O asidik çözelti (örneğin, 9:3: 48 mL) içinde substratları 70 ° C'de 20 dakika boyunca bir duman başlığında SrO yüzey alanlarının temel doğası, TiO2'nin asitliği ve Sr-hidroksit komplekslerinin varlığı nedeniyle seçici olarak kazımak için ultrasonikatın.
- Artık asidi, bir duman davlumbazında oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 100 mL temiz suda ultrasonikasyon ile substratlardan çıkarın.
NOT: TiO2-sonlandırılmış SrTiO3, ticari olarak satın alınabilir veya24,27 yüzeyinde SrO'nun seçici aşındırılmasına bağlı olarak çeşitli şekillerde hazırlanabilir. HF'deki geleneksel aşındırma da TiO2 ile sonlandırılmış SrTiO 3'e yol açar, ancak güvenlik endişeleri ve SrTiO328'in kasıtsız F-dopingi riski nedeniyle burada bundan kaçınılır. - Substrat yüzeyini düşük enerjili bir duruma getirmek için substratları seramik borulu bir fırında 100 ° C / s ısıtma ve soğutma hızı ile 1.000 ° C'de 1 saat boyunca 1 bar oksijen atmosferinde termal olarak işlemden geçirin.
- (001) kristal düzlemlere göre tipik yüzey açısı 0,05°–0,2° olan karışık sonlandırılmış SrTiO3 substratları (örneğin, 5 mm x 5 mm x 0,5 mm boyutlarında) satın alın.
- İnce film (ler) in substrat üzerinde birikmesi
- Substratları, biriktirme sırasında yerinde taşıma ölçümlerinin yapılıp yapılmayacağına bağlı olarak ısıtıcıya veya bir talaş taşıyıcısına monte edin.
NOT: Oda sıcaklığında kürlenen gümüş macun, alt tabaka montajı için rahatlıkla kullanılabilir. - SrTiO3 yüzeyinin dört köşesini, örneğin yerinde taşıma ölçümleri isteniyorsa, 20 μm kalınlığında Al tellerle standart kama teli bağlama kullanarak elektriksel olarak bir talaş taşıyıcısına bağlayın. Talaş taşıyıcısını, tellerin numuneyi vakum uyumlu bir konektör aracılığıyla elektriksel ölçüm kurulumuna bağladığı bir talaş taşıyıcı tutucuya monte edin.
- TiO 2 ile sonlandırılmış substratı, SrTiO 3 üzerinde tipik bir Al 2 O 3 birikimiiçin tek kristalli Al2 O 3 hedefinden 4,7 cm uzağa yerleştirin.
- Sac direnci ölçümlerine Van der Pauw geometrisi29'u kullanarak başlayın, eğer yerinde taşıma ölçümleri yapılacaksa.
- Alt tabakayı 15 °C/dak hızında 650 °C'ye ısıtın veya alt tabakayı oda sıcaklığında tutun.
- Örneğin, 248 nm dalga boyuna sahip nanosaniye darbeli bir KrF lazer, 3,5 J /cm2 lazer akıcılığı ve 1 Hz frekansı kullanarak 1 x 10-5 mbar'lık bir oksijen basıncında tek kristalli bir Al2O3 hedefinden ablatasyon için hazırlanın. 10-6 ila 10-1 mbar aralığında bir oksijen biriktirme basıncı kullanarak veya başka bir şekilde değiştirerek oksijen içeriğini kullanarak özellikleri ayarlayın biriktirme parametreleri.
- İstenilen kalınlıkta γ-Al2O3 (tipik olarak 0-5 birim hücre) biriktirin.
NOT: Bu, örneğin, yansıtıcı yüksek enerjili elektron kırınımı (RHEED) salınımları veya atomik kuvvet mikroskobu ölçümleri kullanılarak belirlenebilir; burada ikincisi, fiziksel bir maske kullanılarak substrat tarafında γ-Al2O3'ün birikmesini önleyerek üretilen yükseklik farkı olarak ölçülür. - γ-Al2O 3/SrTiO3 heteroyapısını, yüksek sıcaklıkta biriktirme işlemi yapılmışsa ek bir tavlama adımı gerçekleştirmeden biriktirme basıncında 15 °C/dak hızında soğutun.
- Numuneyi biriktirme odasından çıkarın ve elektriksel ölçümleri durdurun.
- Numuneyi vakumda, azotta veya alternatif olarak ortam koşullarında saklayın. Numunenin bozulması, vakumda veya azot20'de saklandığında daha yavaştır.
- Substratları, biriktirme sırasında yerinde taşıma ölçümlerinin yapılıp yapılmayacağına bağlı olarak ısıtıcıya veya bir talaş taşıyıcısına monte edin.
2. Termal tavlama ile özelliklerin kontrol edilmesi
- Numuneyi gümüş macunla bir talaş taşıyıcıya monte edin.
- Örneğin, Van der Pauw geometrisi29'daki Al tellerinin kama teli bağlamasını kullanarak numuneyi elektriksel olarak talaş taşıyıcısına bağlayın.
- Talaş taşıyıcısını, termal olarak dayanıklı yalıtımlı bir konektör ve teller kullanarak elektriksel olarak ölçüm ekipmanına bağlayın.
- Sac direnci ölçümlerini başlatın.
- Numune ile donatılmış talaş taşıyıcıyı kapalı bir fırına yerleştirin.
- Numune direncinin atmosferdeki bir değişikliğe duyarlı olup olmadığını kontrol ederken tavlama için kullanılan gazla iyice yıkayın.
- İstenilen tavlama profilini kullanarak numuneyi tavlayın. Tipik tavlama sıcaklıkları, üst filmin kalınlığına ve istenen oksijen birleşme oranına bağlı olarak, a-LaAlO 3 / SrTiO 3 ve γ-Al2O 3 / SrTiO 3 heteroyapıları için sırasıyla 50-250 ° C ve 100-350 ° C'dir.
NOT: 350-400 °C'nin üzerindeki sıcaklıklara ihtiyaç duyulursa, Al kablolardan ve standart seramik çip taşıyıcılarından daha fazla ısı uyumlu seçenek kullanın. - Tabaka direncinde istenen bir değişiklik meydana geldiğinde tavlamayı durdurun.
- Sıcaklığı düşürerek numuneyi soğutun veya numuneyi çıkarın.
- Elektrik ölçümlerini durdurun.
NOT: Direnç genellikle sıcaklığa bağlıdır ve belirli bir sıcaklıktaki belirli taşıma özellikleri hedef ise dikkate alınmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Değişen büyüme koşullarıyla özelliklerin kontrol edilmesi
Oksitlerin birikmesi sırasında biriktirme parametrelerinin değiştirilmesi, Şekil 2'de gösterildiği gibi, özellikle SrTiO3 bazlı heteroyapılar için özelliklerde büyük bir değişikliğe yol açabilir.
Şekil 2: Üst katman kalınlığını ayarlayarak taşıma özelliklerini kontrol etme. (a) γ-Al2O 3/SrTiO3 heteroyapılarının şematik gösterimi. (b) γ-Al2O3 katmanının kalınlığının bir fonksiyonu olarak γ-Al2O 3 / SrTiO3 arayüzünün sac direnci (Rs). (c) γ-Al2O3 katman kalınlığının bir fonksiyonu olarak sac taşıyıcı yoğunluğu (ns). (d) γ-Al2O3 katman kalınlığının bir fonksiyonu olarak taşıyıcı hareketliliği (μ). Christensen ve ark.12 tarafından yapılan bir çalışmanın izniyle yeniden basılmış şekil. Telif Hakkı 2016 AIP Yayıncılık. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Burada, γ-Al 2O3'ün kalınlığı değişir ve elde edilen tabaka direnci, γ-Al2O 3 / SrTiO3 heteroyapısı biriktirme odasından çıkarıldıktan sonra ölçülür. Bu, γ-Al2O 3 / SrTiO3 arayüzünün taşıma davranışında, yüksek yalıtımdan 1 birimlik hücrenin (0,8 nm) kritik kalınlığı etrafında metalik iletkenliğe kadar değişen büyük bir varyasyonla sonuçlanır. Kalınlık kritik kalınlığa yakın dikkatlice kontrol edilirse, sac iletkenliği ve taşıyıcı yoğunluğu birkaç büyüklük sırasına göre ayarlanabilir. Bununla birlikte, oda sıcaklığında, elektron hareketliliği büyük ölçüde değişmeden kalır. Benzer bir ayar, substrat-hedef mesafesi30 ve oksijen kısmi basıncı31 gibi diğer biriktirme parametreleri değiştiğinde de bulunabilir.
Elektron hareketliliği oda sıcaklığında büyük ölçüde değişmeden kalırken, numuneyi 2 K'ya soğuttuğumuzda ve γ-Al2O3 kalınlığı veya biriktirme basıncı değiştiğinde çarpıcı bir şekilde değişir (bkz. Şekil 3).
Şekil 3: Biriktirme parametrelerini değiştirerek elektron hareketliliğini kontrol etmek. γ-Al 2 O 3 / SrTiO3'ün elektron hareketliliği (μ), taşıyıcı yoğunluğunun (ns) bir fonksiyonu olarak, γ-Al2O3'ün (mavi elmaslar) kalınlığını değiştirerek, öncelikle darbeli lazer birikimi sırasında oksijen kısmi basıncını değiştirerek (gri daireler) veya yaklaşık 200 ° C'de 1 bar oksijende (kırmızı daireler) posttavlama yaparak ayarlanır. Christensen ve ark.31 tarafından yapılan bir çalışmanın izniyle yeniden basılmış şekil. Telif Hakkı 2018 Amerikan Fizik Derneği tarafından. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Burada, γ-Al 2 O 3 / SrTiO3 heteroyapısının elektron hareketliliği, γ-Al 2 O 3 yaklaşık 10-5 mbar'lık bir oksijen kısmi basıncında 3.5 birim hücre kalınlığında biriktirildiğinde2K'da 100.000cm2 / V'yi aşan bir değere ulaşır. Kısmi basıncın yükseltilmesi veya γ-Al2O3 kalınlığından sapılması, hem taşıyıcı yoğunluğunda hem de elektron hareketliliğinde iki büyüklük sırasına göre bir azalmaya neden olur.
Termal tavlama ile özelliklerin kontrol edilmesi
Oksijen içeriği, oksitleyici veya indirgeyici koşullarda ex situ termal tavlama kullanılarak da kontrol edilebilir. Burada, tavlamadan sonraki son durum üç parametre ile belirlenir: tavlama süresi, sıcaklık ve atmosfer. Bir örnek Şekil 4a,b'de verilmiştir.
Şekil 4: Oksijende tavlama ile taşıma özelliklerinin kontrolü. (a) γ-Al2O 3/SrTiO 3 ve (b) amorf LaAlO 3/SrTiO 3 heteroyapılarının normalleştirilmiş tabaka iletkenliği (Gs), numunelerin 1 bar oksijen içinde tavlandığı sürenin bir fonksiyonu olarak. (c) İki γ-Al2O3/SrTiO3 numunesi yaklaşık 200 °C'de 1 bar oksijen içinde tavlandıktan sonra oda sıcaklığında ölçülen sac iletkenliğinin (G s) bir fonksiyonu olarak sac taşıyıcı yoğunluğu (n s). İki numune, SrTiO 3 üzerinde γ-Al2O3'ün darbeli bir lazer birikimi kullanılarak 10-6 mbar ve 10-5 mbar'lık bir oksijen arka plan basıncı kullanılarak sentezlenmiştir, bu da birikimden sonra farklı başlangıç taşıyıcı yoğunluklarına yol açmaktadır. Christensen ve ark.23 tarafından yapılan bir çalışmanın izniyle yeniden basılmış şekil. Telif Hakkı 2017 Amerikan Fizik Derneği tarafından. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Burada, γ-Al2O 3 / SrTiO 3 ve amorf-LaAlO 3 / SrTiO 3 heteroyapılarının tabaka iletkenliği ölçülürken, numuneler çeşitli sıcaklıklarda 1 bar oksijen içinde tavlanır. İletkenlikteki en hızlı düşüş amorf-LaAlO 3 / SrTiO3 heteroyapıları için gözlenmiştir ve SrTiO 3'teki boşlukların yok edilmesinin 16 nm kalınlığındaki amorf LaAlO 3 katman23 boyunca gerçekleştiği bulunmuştur. Bununla birlikte, γ-Al2O 3 filminin, oksijen difüzyonu için bir bloke edici tabaka olarak hizmet ettiği bulunmuştur ve SrTiO 3 tarafındaki oksijen boşlukları, SrTiO 3 yoluyla oksijen difüzyonu yoluyla yok edilir ve bu da termal olarak daha esnek bir arayüz iletkenliğineyol açar 23. Heteroyapıların taşıyıcı yoğunluğu, γ-Al2O 3 / SrTiO3 heteroyapısı için Şekil 4c'de gösterildiği gibi, oksijendeki tavlamayı durdurarak kontrol edilebilir. Bu durumda, heteroyapı yaklaşık 200 ° C'de birkaç adımda tavlanır. Her adımdan sonra, heteroyapı, taşıyıcı yoğunluğunun ölçüldüğü oda sıcaklığına soğutulur. Tavlama, taşıyıcı yoğunluğunun kontrollü bir şekilde azalmasına ve ayrıca metalik bir iletkenden yalıtım arayüzüne geçişe neden olur.
γ-Al2O 3 / SrTiO3 heteroyapısının iletken durumundaki değişiklik, farklı özellikleri etkinleştirmek için kullanılabilir23. Şekil 5'te bir örnek gösterilmektedir.
Şekil 5: İletken polimerin yazılmasını sağlama İletken nanolinler olarak zamanın bir fonksiyonu olarak dört prob direnci, iletken bir atomik kuvvet mikroskobu (c-AFM) ucu kullanılarak yazılmaya çalışılır. 3 saat boyunca yaklaşık 150 ° C'de tavlandıktan sonra, c-AFM ucuna pozitif bir önyargı uygulanarak ve γ-Al2O 3 yüzeyinde tarama yapılarak γ-Al2O 3 / SrTiO 3 arayüzünde iletken çizgiler yazılabilir. İletken hat iki elektrotla temas ettiğinde, direnç keskin bir şekilde düşer. Negatif bir önyargı uygulamak ve iletken hat boyunca taramak, polimerin silinmesine yol açar. Christensen ve ark.23 tarafından yapılan bir çalışmanın izniyle yeniden basılmış şekil. Telif Hakkı 2017 Amerikan Fizik Derneği tarafından. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Burada, iletken nanoçizgiler, iletken atomik kuvvet mikroskobu (c-AFM) kullanılarak sadece yüksek dirençli bir durumda çizilebilir. γ-Al 2 O3'ün birikmesinden sonra, heteroyapı düşük dirençli bir durumdadır ve pozitif önyargılı bir c-AFM ucu γ-Al2O3 yüzeyinde bir elektrottan diğerine tarama yaptığında gözlemlenebilir bir değişiklik meydanagelmez. Bununla birlikte, heteroyapının 150 ° C'de havada 3 saat boyunca tavlanmasından sonra, arayüzde yüksek dirençli bir durum elde edilebilir. Elektrotlar arasında pozitif eğilimli uç tarandığında, yüksek dirençli arayüzde yaklaşık 50 nm genişliğinde bir iletken hat oluşturulabilir. Nanolin iki elektrodu birbirine bağladığında, daha önce32,33 bildirildiği gibi dirençte keskin bir düşüş gözlenir. Nanolin, daha sonra ucuna negatif bir önyargı uygulayarak ve nanoline boyunca tarama yaparak silinebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada açıklanan yöntemler, oksit özelliklerini kontrol etmek için oksijen içeriğinin kullanılmasına dayanır ve bu nedenle oksijen kısmi basıncı ve çalışma sıcaklığı kritik parametrelerdir. Sistemin toplam oksidasyon durumu, sistemin çevredeki atmosferle termodinamik bir dengede kalacağı şekilde ayarlanırsa (yani, yüksek sıcaklıktapO2 değişti), değişiklikler geri dönüşümlü olabilir. Bununla birlikte, SrTiO3 tabanlı heteroyapılar söz konusu olduğunda, ara yüz oksijen boşlukları tipik olarak, dengesiz bir durumda oksidasyon durumunu yakalayabilen darbeli lazer birikimi kullanılarak oluşturulur34. Bu durumda, biriktirme sırasında ve sonrasında sıcaklık profili ve oksijen kısmi basıncı, ortaya çıkan özellikler için çok önemlidir. SrTiO3'teki oksijen boşlukları ortam koşulları22 altında tipik olarak kararsızdır ve tavlama ile indüklenen oksijen içeriğindeki değişiklikler genellikle geri dönüşümsüz olacaktır.
Diğer dezavantajlar, yüksek sıcaklıktan veya modifiye birikimden kaynaklanan yan etkilerdir. Yüksek sıcaklık sırasında, örneğin katyon difüzyonu meydana gelebilir. SrTiO3 10,35,36 üzerinde çeşitli oksitlerin darbeli lazer birikimi sırasında önemli bir katyon interdifüzyonu bildirilmiştir. Oksijen içeriğinin kontrol edilmesi tipik olarak oksijen biriktirme basıncını değiştirerek yapılır. Yaklaşık 10-3 mbar'lık bir basıncın altında, darbeli lazer birikimindeki plazma tüyü arka plan basıncından neredeyse hiç etkilenmez ve SrTiO3'ün oksidasyon durumundaki bir değişiklik, yüksek sıcaklıklarda çevredeki atmosferle etkileşimlerle meydana gelir37. Basınç 10-3'ten 10-1 mbar'a yükseldiğinde, arka plan gazı plazma tüyü ile etkileşime girer, bu da tüylerin oksitlenmesine ve plazma türlerinin kinetik enerjisinin düşürülmesine neden olur37. Bu, SrTiO3 yüzeyindeki etkin sıcaklık düşürüldüğü ve plazma türleri daha düşük hızlarla geldiği için katyon difüzyon seviyesini etkileyebilir. Argon, plazma türlerini yaklaşık olarak oksijen kadar verimli bir şekilde durdurur ve bu nedenle, kinetik enerjiyi değiştirmenin yan etkileri, toplam biriktirme basıncını sabitleyerek, ancak bir argon / oksijen karışımı37 kullanılarak oksijen kısmi basıncını değiştirerek atlatılabilir. Tavlama yapılırken, katyon difüzyonu, oksijen difüzyonuna izin verecek kadar yüksek, ancak önemli katyon difüzyonunu önleyecek kadar düşük sıcaklıklarda tavlanarak önlenebilir. Bu, burada23,36 olarak kabul edilen 100-350 ° C'de tavlanmış SrTiO3 bazlı heteroyapılar için geçerlidir. Bununla birlikte, bazı durumlarda, katyon difüzyonunun ve biriktirme veya tavlama sonrası tarafından indüklenen kusur konfigürasyonundaki değişikliklerin de oksit özelliklerini ayarlamak için arzu edilen bir yol olabileceği belirtilmelidir.
Oksijen içeriğini değiştirmek için iki farklı yaklaşım birbirinden çeşitli şekillerde farklıdır. Darbeli lazer biriktirme parametrelerinin değiştiği büyüme yaklaşımını kullanarak, termodinamik olarak stabil veya dengesizlik durumunda termal olarak söndürülmüş durumlar elde etmek mümkündür34. Tavlama yaklaşımı, numuneyi verilen tavlama koşullarında termal dengeye doğru yönlendirir, ancak ara dengesizlik durumları da elde edilebilir. Dahası, tavlama yaklaşımı, özellikler tek bir numunede ayarlanabildiğinden, numuneden numuneye varyasyonları en aza indirirken, büyüme yaklaşımına göre farklı özelliklere sahip farklı numuneler hazırlanır. Öte yandan, tavlama işleminden sonra ilk durum kaybolabilir.
İki yaklaşım ayrıca, özellikle sınırlı elektronik sistemlerin taşıyıcı yoğunluğunu ayarlamak için genellikle kullanılan elektrostatik geçitten farklıdır. Elektrostatik geçit, diğer özellikleri ölçerken sıklıkla yerinde yapılabilen elektriksel özelliklerdeki hızlı ve çok yönlü bir değişiklikten yararlanır. Bununla birlikte, elde etme durumu kalıcı değildir, önemli bir histerezis gözlenebilir ve taşıyıcı yoğunluğunun ayarlanabileceği aralık sınırlıdır (tipik olarak ~ 100 V ila 0,5 mm kalınlığında SrTiO3 ile geri geçit için 10-12 / cm2'den daha az sırada)12,23,38,39 . Oksijen boşluk içeriğini ayarlayarak özellikleri kontrol etmek, taşıyıcı yoğunluğu 10,23'te büyük değişiklikler olan (yarı-) kalıcı bir duruma ve gezici elektronların yoğunluğundaki bir değişiklikten mutlaka etkilenmeyen özellikleri değiştirme olasılığına yol açar. Ayrıca, geçit ve tavlama işlemlerinin bir kombinasyonu, arayüz özelliklerinin hassas bir kontrolü için kendi avantajlarını kullanabilir.
Tavlama yaklaşımı, burada açıklanan direnç ölçümlerinin yanı sıra bir dizi ek ölçümle özellikle uyumludur. Bu ölçümler, çeşitli özelliklerin ayarlanmasını araştırmak için kullanılabilecek Hall, gate, optik ve manyetik ölçümleri içerebilir. Ölçümler ayrıca, fotoemisyon deneyleri gibi tel erişiminin veya elektrostatik geçitlemenin zor olduğu yerleri de içerir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Yazarlar, teknik yardımı için Danimarka Teknik Üniversitesi'nden J. Geyti'ye teşekkür eder. F. Trier, VILLUM FONDEN'den VKR023371 (SPINOX) araştırma hibesi ile desteğini kabul eder. D. V. Christensen, Novo Nordisk Vakfı NERD Programı: Yeni Keşif Araştırma ve Keşif, Üstün Hibe NNF21OC0068015'in desteğini kabul ediyor.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Pavlenko, N., Kopp, T., Tsymbal, E. Y., Sawatzky, G. A., Mannhart, J. Magnetic and superconducting phases at the LaAlO3/SrTiO3 interface: The role of interfacial Ti 3d electrons. Physical Review B. 85 (2), 020407 (2012).
- Schütz, P., et al. Microscopic origin of the mobility enhancement at a spinel/perovskite oxide heterointerface revealed by photoemission spectroscopy. Physical Review B. 96, 161409 (2017).
- Choi, H., Song, J. D., Lee, K. -R., Kim, S. Correlated Visible-Light Absorption and Intrinsic Magnetism of SrTiO3 Due to Oxygen Deficiency: Bulk or Surface Effect. Inorganic Chemistry. 54 (8), 3759-3765 (2015).
- Frederikse, H. P. R., Hall Hosler, W. R.
- Schooley, J. F., Hosler, W. R., Cohen, M. L.
- Schooley, J. F., et al. Dependence of the Superconducting Transition Temperature on Carrier Concentration in Semiconducting SrTiO3. Physical Review Letters. 14 (9), 305-307 (1965).
- Coey, J. M. D., Venkatesan, M., Stamenov, P.
- Ohtomo, A., Hwang, H. Y. A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Nature. 427 (6973), 423-426 (2004).
- Thiel, S., Hammerl, G., Schmehl, A., Schneider, C. W., Mannhart, J. Tunable quasi-two-dimensional electron gases in oxide heterostructures. Science. 313 (5795), 1942-1945 (2006).
- Chen, Y. Z., et al. A high-mobility two-dimensional electron gas at the spinel/perovskite interface of γ-Al2O3/SrTiO3. Nature Communications. 4, 1371 (2013).
- Caviglia, A. D., et al. Electric field control of the LaAlO3/SrTiO3 interface ground state. Nature. 456 (7222), 624-627 (2008).
- Christensen, D. V., et al. Electric field control of the γ-Al2O3/SrTiO3 interface conductivity at room temperature. Applied Physics Letters. 109 (2), 021602 (2016).
- Chen, Y., et al. Creation of High Mobility Two-Dimensional Electron Gases via Strain Induced Polarization at an Otherwise Nonpolar Complex Oxide Interface. Nano Letters. 15 (3), 1849-1854 (2015).
- Bell, C., et al. Dominant Mobility Modulation by the Electric Field Effect at the LaAlO3/SrTiO3 Interface. Physical Review Letters. 103 (22), 226802 (2009).
- Niu, W., et al. Giant Tunability of the Two-Dimensional Electron Gas at the Interface of γ-Al2O3/SrTiO3. Nano Letters. 17, 6878 (2017).
- Cheng, G., et al.
- Bi, F., et al. Room-temperature electronically-controlled ferromagnetism at the LaAlO3/SrTiO3 interface. Nature Communications. 5, (2014).
- Chen, Y., et al. Metallic and Insulating Interfaces of Amorphous SrTiO3-Based Oxide Heterostructures. Nano Letters. 11 (9), 3774-3778 (2011).
- Chen, Y. Z., et al. On the origin of metallic conductivity at the interface of LaAlO3/SrTiO3. Applied Surface Science. 258 (23), 9242-9245 (2012).
- Trier, F., et al. Degradation of the interfacial conductivity in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures during storage at controlled environments. Solid State Ionics. 230, 12-15 (2013).
- Christensen, D. V., Smith, A.
- Gunkel, F., et al. Thermodynamic Ground States of Complex Oxide Heterointerfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (1), 1086-1092 (2017).
- Christensen, D. V., et al. Controlling the carrier density of SrTiO3-based heterostructures with annealing. Advanced Electronic Materials. 1700026. , (2017).
- Connell, J. G., Isaac, B. J., Ekanayake, G. B., Strachan, D. R., Seo, S. S. A. Preparation of atomically flat SrTiO3 surfaces using a deionized-water leaching and thermal annealing procedure. Applied Physics Letters. 101 (25), 251607-251607 (2012).
- Koster, G., Kropman, B. L., Rijnders, G. J., Blank, D. H., Rogalla, H. Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide. Applied Physics Letters. 73 (20), 2920-2922 (1998).
- Komiyama, M., Gu, M. Atomic force microscopy images of MgO (100) and TiO2 (110) under water and aqueous aromatic molecule solutions. Applied Surface Science. 120 (100), 125-128 (1997).
- Kawasaki, M., et al. Atomic control of the SrTiO3 crystal surface. Science. 266 (5190), 1540-1542 (1994).
- Chambers, S. A., Droubay, T. C., Capan, C., Sun, G. Y. Unintentional F doping of SrTiO3(001) etched in HF acid-structure and electronic properties. Surface Science. 606 (001), 554-558 (2012).
- vander Pauw, L. J. A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape. Philips Research Reports. 13, 1-9 (1958).
- Chen, Y. Z., et al. Room Temperature Formation of High-Mobility Two-Dimensional Electron Gases at Crystalline Complex Oxide Interfaces. Advanced Materials. 26, (2013).
- Christensen, D. V., et al.
- Cen, C., et al. Nanoscale control of an interfacial metal-insulator transition at room temperature. Nature Materials. 7 (4), 298-302 (2008).
- Cen, C., Thiel, S., Mannhart, J., Levy, J. Oxide Nanoelectronics on Demand. Science. 323 (5917), 1026-1030 (2009).
- Xu, C., et al. Disentanglement of growth dynamic and thermodynamic effects in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures. Scientific Reports. 6, 22410 (2016).
- Chambers, S. A. Understanding the mechanism of conductivity at the LaAlO3/SrTiO3(001) interface. Surface Science. 605 (001), 1133-1140 (2011).
- Nakagawa, N., Hwang, H. Y., Muller, D. A. Why some interfaces cannot be sharp. Nature Materials. 5 (3), 204-209 (2006).
- Sambri, A., et al. Plasma plume effects on the conductivity of amorphous-LaAlO3/SrTiO3 interfaces grown by pulsed laser deposition in O2. and Ar. Applied Physics Letters. 100 (23), 231605 (2012).
- Biscaras, J., et al. Limit of the electrostatic doping in two-dimensional electron gases. of LaXO3(X = Al, Ti)/SrTiO3. Scientific Reports. 4, 6788 (2014).
- Christensen, D. V., et al. Controlling interfacial states in amorphous/crystalline LaAlO3/SrTiO3 heterostructures by electric fields. Applied Physics Letters. 102 (2), 021602 (2013).
