Artículo de método

Ajuste de las propiedades del óxido mediante el control de vacantes de oxígeno durante el crecimiento y el recocido

DOI:

10.3791/58737

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9 de junio de 2023

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1Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark, 2Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

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Los materiales de óxido muestran muchas propiedades exóticas que pueden controlarse ajustando el contenido de oxígeno. Aquí, demostramos el ajuste del contenido de oxígeno en óxidos variando los parámetros de deposición de láser pulsado y realizando postrecocido. Como ejemplo, las propiedades electrónicas de las heteroestructuras basadas en SrTiO3 se ajustan mediante modificaciones de crecimiento y recocido.

Resumen

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Las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales de óxido a menudo se pueden controlar variando el contenido de oxígeno. Aquí esbozamos dos enfoques para variar el contenido de oxígeno y proporcionamos ejemplos concretos para ajustar las propiedades eléctricas de las heteroestructuras basadas en SrTiO3. En el primer enfoque, el contenido de oxígeno se controla variando los parámetros de deposición durante una deposición de láser pulsado. En el segundo enfoque, el contenido de oxígeno se ajusta sometiendo las muestras a recocido en oxígeno a temperaturas elevadas después del crecimiento de la película. Los enfoques se pueden utilizar para una amplia gama de óxidos y materiales sin óxido donde las propiedades son sensibles a un cambio en el estado de oxidación.

Los enfoques difieren significativamente del gating electrostático, que a menudo se usa para cambiar las propiedades electrónicas de sistemas electrónicos confinados como los observados en heteroestructuras basadas en SrTiO3. Al controlar la concentración de vacantes de oxígeno, podemos controlar la densidad del portador en muchos órdenes de magnitud, incluso en sistemas electrónicos no confinados. Además, se pueden controlar las propiedades, que no son sensibles a la densidad de los electrones itinerantes.

Introducción

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El contenido de oxígeno juega un papel vital en las propiedades de los materiales de óxido. El oxígeno tiene una alta electronegatividad y, en el límite totalmente iónico, atrae dos electrones de cationes vecinos. Estos electrones se donan a la red cuando se forma una vacante de oxígeno. Los electrones pueden quedar atrapados y formar un estado localizado, o pueden deslocalizarse y ser capaces de conducir una corriente de carga. Los estados localizados se encuentran típicamente en el espacio de banda entre la banda de valencia y la banda de conducción con un momento angular total que puede ser distinto de cero 1,2,3....

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Protocolo

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1. Control de propiedades mediante condiciones de crecimiento variables

  1. Preparación de superficies de alta calidad de SrTiO3
    1. Compre sustratos SrTiO3 terminados mezclados (por ejemplo, de 5 mm x 5 mm x 0.5 mm de tamaño) con un ángulo de superficie típico de 0.05 ° a 0.2 ° con respecto a los planos de cristal (001).
      NOTA: El ángulo de corte incorrecto determina la planitud de la superficie, que es importante para el crecimiento epitaxial en el sustrato, así como para las propiedades resultantes en la interfaz.
    2. Limpie el número deseado de sustratos por ultrasonido en acetona durante 5 min y etanol du....

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Resultados

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Control de propiedades mediante condiciones de crecimiento variables
La variación de los parámetros de deposición durante la deposición de óxidos puede conducir a un gran cambio en las propiedades, en particular para las heteroestructuras basadas en SrTiO3, como se muestra en la Figura 2.

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Discusión

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Los métodos descritos aquí se basan en el uso del contenido de oxígeno para controlar las propiedades del óxido, y la presión parcial de oxígeno y la temperatura de funcionamiento son, por lo tanto, parámetros críticos. Si el estado de oxidación total del sistema se ajusta de una manera en la que el sistema permanece en un equilibrio termodinámico con la atmósfera circundante (es decir, cambió elpO2 a alta temperatura), los cambios pueden ser reversibles. Sin embargo, en el caso de heteroestructuras basadas en.......

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Los autores agradecen a J. Geyti de la Universidad Técnica de Dinamarca por su asistencia técnica. F. Trier agradece el apoyo de la beca de investigación VKR023371 (SPINOX) de VILLUM FONDEN. D. V. Christensen agradece el apoyo del Programa NERD de la Fundación Novo Nordisk: New Exploratory Research and Discovery, Subvención Superior NNF21OC0068015.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
SrTiO3CrystecMonocristalino (001) orientado, ángulo de corte incorrecto de 0,05-0,2 grados
LaAlO3Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd.Óptica monocristalina
Al2O3Shanghai Daheng y mecánica fina Co.Ltd.Monocristalino
Productos químicos y gasesProveedores
Pasta de plataSPI Supplies, Structure Probe Inc05001-AB, Pintura de plata de alta pureza
UltrasonidoVWRUSC500D HF45kHz/100W
Bonder de alambre de cuñaShenzhen Baixiangyuan Ciencia & Tecnología Co., Ltd.HS-853A Soldadora de alambre de aluminio
Deposición láser pulsadaTwente Solid State Technologies (TSST)PLD de TSST con versión de software V3.0.29, equipado con un láser de nanosegundos KrF
de 248 nm (Compex Pro 205 F) de Coherent Configuración de
medición de resistenciaHecho a medidaBasado en los siguientes instrumentos eléctricos y software escrito a medida:
Keithley 6221 fuente de corriente de CC y CA
Keithley 2182A nanovoltímetro
sistema de conmutación Keithley 7001 con una tarjeta de matriz
picoamperímetro Keithley 6487
Mediciones HallCriogeniaBasado en los siguientes instrumentos eléctricos y software escrito a medida:
Keithley 2400 Fuente de corriente continua
Keithley 2182A nanovoltímetro
Sistema de conmutación Keithley 7001 con tarjeta matricial
HornoHecho aControl de software escrito a medida de un horno tubular FTTF 500/70 de Scandia Ovnen AS y un controlador de temperatura eurotherm 2216e
estándar medida

Referencias

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  1. 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).
  2. Schütz, P., et al.

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Etiquetas

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