Réglage des propriétés de l’oxyde par contrôle de la vacance d’oxygène pendant la croissance et le recuit

Résumé

Les matériaux oxydés présentent de nombreuses propriétés exotiques qui peuvent être contrôlées en réglant la teneur en oxygène. Ici, nous démontrons l’ajustement de la teneur en oxygène dans les oxydes en faisant varier les paramètres de dépôt laser pulsé et en effectuant un post-recuit. À titre d’exemple, les propriétés électroniques des hétérostructures à base de SrTiO₃ sont ajustées par des modifications de croissance et un recuit.

Résumé

Les propriétés électriques, optiques et magnétiques des matériaux oxydés peuvent souvent être contrôlées en faisant varier la teneur en oxygène. Nous décrivons ici deux approches pour faire varier la teneur en oxygène et fournissons des exemples concrets pour ajuster les propriétés électriques des hétérostructures basées sur SrTiO₃. Dans la première approche, la teneur en oxygène est contrôlée en faisant varier les paramètres de dépôt lors d’un dépôt laser pulsé. Dans la deuxième approche, la teneur en oxygène est ajustée en soumettant les échantillons à un recuit dans de l’oxygène à des températures élevées après la croissance du film. Les approches peuvent être utilisées pour une large gamme d’oxydes et de matériaux non oxydés dont les propriétés sont sensibles à un changement de l’état d’oxydation.

Les approches diffèrent considérablement de la gating électrostatique, qui est souvent utilisée pour modifier les propriétés électroniques des systèmes électroniques confinés tels que ceux observés dans les hétérostructures basées sur SrTiO₃. En contrôlant la concentration de vacance d’oxygène, nous sommes en mesure de contrôler la densité de la porteuse sur plusieurs ordres de grandeur, même dans des systèmes électroniques non confinés. De plus, les propriétés peuvent être contrôlées, qui ne sont pas sensibles à la densité des électrons itinérants.

Introduction

La teneur en oxygène joue un rôle essentiel dans les propriétés des matériaux oxydés. L’oxygène a une électronégativité élevée et, dans la limite entièrement ionique, attire deux électrons des cations voisins. Ces électrons sont donnés au réseau lorsqu’une vacance d’oxygène est formée. Les électrons peuvent être piégés et former un état localisé, ou ils peuvent devenir délocalisés et capables de conduire un courant de charge. Les états localisés sont généralement situés dans la bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction avec un moment angulaire total qui peut être non nul ^1,2,3

Protocole

1. Contrôle des propriétés en variant les conditions de croissance

1. Préparation de surfaces de haute qualité de SrTiO₃
   1. Achetez des substrats SrTiO₃ à terminaison mixte (p. ex., de 5 mm x 5 mm x 0,5 mm) avec un angle de surface typique de 0,05°–0,2° par rapport aux plans cristallins (001).
      REMARQUE: L’angle de coupe erroné détermine la planéité de la surface, ce qui est important pour la croissance épitaxiale sur le substrat, ainsi que pour les propriétés résultantes à l’interface.
   2. Nettoyez le nombre souhaité de substrats par ultrasons dans de l’acétone pendant 5 min et de l’éthanol pendant 5 min à ....

Résultats

Contrôle des propriétés en fonction de conditions de croissance variables
La variation des paramètres de dépôt pendant le dépôt d’oxydes peut entraîner une modification importante des propriétés, en particulier pour les hétérostructures à base de SrTiO₃, comme le montre la figure 2.

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Discussion

Les méthodes décrites ici reposent sur l’utilisation de la teneur en oxygène pour contrôler les propriétés de l’oxyde, et la pression partielle d’oxygène et la température de fonctionnement sont donc des paramètres critiques. Si l’état d’oxydation totale du système est réglé de manière à ce que le système reste en équilibre thermodynamique avec l’atmosphère environnante (c.-à-d. pO₂ modifié à haute température), les changements peuvent être réversibles. Cependant, dans le cas des hétérostructures à base de SrT.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
SrTiO3	Crystec		Monocristallin (001) orienté, angle de coupe erroné de 0,05 à 0,2 degré
LaAlO3	Shanghai Daheng Optique et mécanique fine Co.Ltd.		Monocristallin
Al2O3	Shanghai Daheng Optique et Mécanique Fine Co.Ltd.		Monocristallin
Produits chimiques et gaz	Fournisseurs standard Pâte
d’argent	SPI Supplies, Structure Probe Inc		05001-AB, Peinture argentée de haute pureté
Ultrasoniseur	VWR		USC500D HF45kHz / 100W
Connecteur de fil de coin	Shenzhen Baixiangyuan Science & Technology Co., Ltd.		HS-853A Fils d’aluminium
Dépôt laser pulsé	Twente Solid State Technologies (TSST)		PLD de TSST avec version logicielle V3.0.29, équipé d’un laser nanoseconde KrF de 248 nm (Compex Pro 205 F) de Configuration de mesure de
résistance	Sur mesure		Basé sur les instruments électriques suivants et les logiciels écrits sur mesure : Keithley 6221 Source de courant CC et AC Keithley 2182A nanovoltmètre Système de commutation Keithley 7001 avec une carte matricielle Picoampèremètre Keithley 6487
Mesures à effet Hall	Cryogénie		Basé sur les instruments électriques suivants et le logiciel écrit sur mesure : Keithley 2400 Source de courant DC Keithley 2182A nanovoltmètre Système de commutation Keithley 7001 avec une carte matricielle
Four		logiciel écrit sur mesure d’un four tubulaire FTTF 500/70 de Scandia Ovnen AS et d’un régulateur de température eurotherm 2216e

cohérente Commande par