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

La méthode présentée ici permet de contrôler la quantité de vides d’oxygène dans les couches minces d’oxyde pendant et après le dépôt. Les principales avancées de cette approche sont que les propriétés électriques et magnétiques peuvent être ajustées en modifiant la quantité de vides d’oxygène. Les vides d’oxygène servent de défauts fonctionnels dans la plupart des matériaux oxydés, et les propriétés de nombreux oxydes peuvent donc être contrôlées systématiquement par l’ingénierie des défauts en utilisant cette approche.

Shinhee, Carlos et Eric, un post-doctorant et deux doctorants de notre laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour commencer, achetez des substrats de titanate de strontium à terminaison mixte avec un angle de surface typique de 0,05 à 0,2 degré par rapport aux plans cristallins. Nettoyez le nombre souhaité de substrats par ultrasons dans de l’acétone pendant cinq minutes.

Ensuite, ultrasons les substrats pendant 20 minutes à 70 degrés Celsius dans de l’eau propre, ce qui dissout l’oxyde de strontium ou forme des complexes d’hydroxyde de strontium dans les domaines de surface terminés par de l’oxyde de strontium, tout en laissant les domaines chimiquement stables, terminés par le dioxyde de titane inchangés. En attendant, préparez la solution d’eau régale en ajoutant lentement de l’acide chlorhydrique dans l’eau, puis en ajoutant de l’acide nitrique dans la solution. Ensuite, ultrasons les substrats dans une solution acide contenant de l’acide chlorhydrique, de l’acide nitrique et de l’eau à 70 degrés Celsius pendant 20 minutes dans une hotte pour graver sélectivement l’oxyde de strontium en raison de la nature fondamentale des domaines de surface de l’oxyde de strontium, de l’acidité du dioxyde de titane et de la présence de complexes d’hydroxyde de strontium.

Retirer l’acide résiduel des substrats par ultrasons dans 100 millilitres d’eau propre pendant cinq minutes à température ambiante dans une hotte. Ensuite, faites cuire les substrats dans une atmosphère d’une barre d’oxygène pendant une heure à 1 000 degrés Celsius avec une vitesse de chauffage et de refroidissement de 100 degrés Celsius par heure dans un four à tubes en céramique pour détendre la surface du substrat dans un état à faible énergie. Pour déposer un film mince sur les substrats, montez les substrats sur un support de chauffage ou de copeaux, selon que des mesures de transport de NC2 doivent être effectuées ou non pendant le dépôt.

Ensuite, placez le substrat terminé par le dioxyde de titane à 4,7 centimètres de la cible d’alumine monocristalline pour un dépôt typique d’alumine gamma sur du titanate de strontium à température ambiante. Préparez-vous à l’ablation d’une seule cible d’alumine cristalline à une pression d’oxygène de 10 à la puissance moins cinq millibars. Ajustez les propriétés en utilisant la teneur en oxygène en utilisant une pression de dépôt d’oxygène comprise entre 10 et la puissance moins six à 0,1 millibars, ou en faisant varier d’autres paramètres de dépôt.

Après incubation, observer le substrat pour l’épaisseur souhaitée de dépôt d’alumine gamma. Ensuite, retirez l’échantillon de la chambre de dépôt et arrêtez toute mesure électrique. Conservez ensuite l’échantillon sous vide.

La dégradation de l’échantillon est la plus lente lorsqu’elle est stockée sous vide ou à l’azote. Montez l’échantillon sur un support de copeaux à l’aide de pâte d’argent. Ensuite, connectez électriquement l’échantillon au support de puce en utilisant le collage de fil de coin de fils d’aluminium dans la géométrie Van der Pauw.

Ensuite, placez le support de copeaux avec l’échantillon dans un four fermé. Ensuite, à l’aide d’un connecteur et de fils avec isolation thermiquement résistante, connectez électriquement le support de puce à l’équipement de mesure et démarrez les mesures de résistance de la feuille. Placez ensuite le support de copeaux équipé de l’échantillon dans un four fermé et rincez soigneusement avec le gaz utilisé pour le recuit tout en vérifiant si la résistance de l’échantillon est sensible à un changement de l’atmosphère.

Recuit l’échantillon en utilisant le profil de recuit souhaité, en fonction de l’épaisseur du film supérieur et du taux souhaité d’incorporation d’oxygène. Interrompre le recuit lorsqu’un changement souhaité de la résistance de la feuille s’est produit. Grâce à cette configuration, le développement de la résistance de la feuille dans les hétérostructures d’oxyde telles que le titanate de strontium gamma alumine et le titanate de strontium d’aluminate de lanthane peut être surveillé in situ pendant le dépôt laser pulsé.

Lorsque l’environnement de mesure est modifié par mesure ex situ ou par rinçage à l’oxygène in situ, des changements significatifs dans la résistance de la feuille des hétérostructures à base de titanate de strontium peuvent être observés. Dans les échantillons où l’alumine gamma est déposée sur le titanate de strontium, la mobilité des électrons reste largement inchangée à température ambiante, mais change radicalement à deux Kelvin lorsque la pression de dépôt est variable. Les propriétés des hétérostructures d’oxyde peuvent également être ajustées après dépôt par recuit.

L’état final est déterminé par le temps de recuit et la température et l’atmosphère de recuit. Les conducteurs de feuilles d’hétérostructures composées de titanate de strontium coiffé d’alumine gamma ou d’aluminate de lanthane amorphe sont mesurés à différentes températures de recuit. La diminution la plus rapide de la conductance a été observée pour les hétérostructures amorphes de titanate de strontium d’aluminate de lanthane.

Pour les hétérostructures de titanate de strontium, la densité du porteur est contrôlée en contrôlant le recuit et l’oxygène. Les étapes de recuit consécutives entraînent une diminution constante de la densité des porteurs et une transition d’une interface conductrice métallique à une interface isolante. La modification de l’état conducteur dans l’hétérostructure du titanate de strontium peut permettre différentes propriétés.

Ici, les tentatives d’écriture de nanofils à l’aide d’un microscope conducteur à force atomique n’étaient pas possibles avant le recuit. Cependant, après recuit, les lignes conductrices peuvent être écrites et effacées à l’interface. En utilisant cette approche, nous pouvons modifier systématiquement les propriétés magnétiques et électroniques des hétérostructures d’oxydes, et ainsi étudier le rôle des vides d’oxygène dans la détermination de ces propriétés.