Articolo metodologico

Regolazione delle proprietà dell'ossido mediante il controllo del vuoto di ossigeno durante la crescita e la ricottura

DOI:

10.3791/58737

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9 giugno 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

In questo articolo

Sommario

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I materiali ossidi mostrano molte proprietà esotiche che possono essere controllate regolando il contenuto di ossigeno. Qui, dimostriamo la regolazione del contenuto di ossigeno negli ossidi variando i parametri di deposizione laser pulsata ed eseguendo la postannealing. Ad esempio, le proprietà elettroniche delle eterostrutture basate su SrTiO3 sono regolate da modifiche di crescita e ricottura.

Abstract

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Le proprietà elettriche, ottiche e magnetiche dei materiali ossidi possono spesso essere controllate variando il contenuto di ossigeno. Qui delineiamo due approcci per variare il contenuto di ossigeno e forniamo esempi concreti per la messa a punto delle proprietà elettriche delle eterostrutture basate su SrTiO3. Nel primo approccio, il contenuto di ossigeno viene controllato variando i parametri di deposizione durante una deposizione laser pulsata. Nel secondo approccio, il contenuto di ossigeno viene regolato sottoponendo i campioni alla ricottura in ossigeno a temperature elevate dopo la crescita del film. Gli approcci possono essere utilizzati per una vasta gamma di ossidi e materiali non ossidi in cui le proprietà sono sensibili a un cambiamento nello stato di ossidazione.

Gli approcci differiscono significativamente dal gating elettrostatico, che viene spesso utilizzato per modificare le proprietà elettroniche dei sistemi elettronici confinati come quelli osservati nelle eterostrutture basate su SrTiO3. Controllando la concentrazione di ossigeno vacante, siamo in grado di controllare la densità portante su molti ordini di grandezza, anche in sistemi elettronici non confinati. Inoltre, le proprietà possono essere controllate, che non sono sensibili alla densità degli elettroni itineranti.

Introduzione

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Il contenuto di ossigeno svolge un ruolo vitale nelle proprietà dei materiali ossidici. L'ossigeno ha un'elevata elettronegatività e, nel limite completamente ionico, attrae due elettroni dai cationi vicini. Questi elettroni vengono donati al reticolo quando si forma un vuoto di ossigeno. Gli elettroni possono essere intrappolati e formare uno stato localizzato, oppure possono diventare delocalizzati e in grado di condurre una corrente di carica. Gli stati localizzati sono tipicamente situati nel gap di banda tra la banda di valenza e la banda di conduzione con un momento angolare totale che può essere diverso dazero 1,2,3.

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Protocollo

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1. Controllo delle proprietà variando le condizioni di crescita

  1. Preparazione di superfici di alta qualità di SrTiO3
    1. Acquistare substrati SrTiO3 con terminazione mista (ad esempio, di dimensioni 5 mm x 5 mm x 0,5 mm) con un angolo superficiale tipico di 0,05 ° - 0,2 ° rispetto ai piani cristallini (001).
      NOTA: L'angolo di taglio errato determina la planarità della superficie, che è importante per la crescita epitassiale sul substrato, nonché per le proprietà risultanti all'interfaccia.
    2. Pulire il numero desiderato di substrati mediante ultrasuoni in acetone per 5 minuti ed etanolo per 5 minuti a tem....

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Risultati

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Controllo delle proprietà variando le condizioni di crescita
La variazione dei parametri di deposizione durante la deposizione di ossidi può portare a un grande cambiamento nelle proprietà, in particolare per le eterostrutture basate su SrTiO3, come mostrato nella Figura 2.

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Discussione

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I metodi qui descritti si basano sull'utilizzo del contenuto di ossigeno per controllare le proprietà dell'ossido, e la pressione parziale dell'ossigeno e la temperatura di esercizio sono, quindi, parametri critici. Se lo stato di ossidazione totale del sistema è sintonizzato in modo che il sistema rimanga in equilibrio termodinamico con l'atmosfera circostante (cioè modificato pO2 ad alta temperatura), i cambiamenti possono essere reversibili. Tuttavia, nel caso di eterostrutture basate su SrTiO3, .......

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Gli autori ringraziano J. Geyti dell'Università tecnica della Danimarca per la sua assistenza tecnica. F. Trier riconosce il sostegno dell'assegno di ricerca VKR023371 (SPINOX) di VILLUM FONDEN. D. V. Christensen riconosce il sostegno del programma NERD della Fondazione Novo Nordisk: New Exploratory Research and Discovery, Superior Grant NNF21OC0068015.

....

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
SrTiO3CrystecSingolo cristallino (001) orientato, angolo di 0,05-0,2 gradi di taglio errato
LaAlO3Shanghai Daheng Optics e Fine Mechanics Co.Ltd.Ottica
Al2O3Shanghai Daheng monocristallino e meccanica fine Co.Ltd.Singoli cristallini
Sostanze chimiche e gas Fornitori
Pasta d'argentoSPI Forniture, Structure Probe Inc05001-AB, Vernice d'argento ad alta purezza
UltrasuonatoreVWRUSC500D HF45kHz / 100W
Wedge wire bonderShenzhen Baixiangyuan Science & Fornitore verificato - Technology Co., Ltd.HS-853A Bonder a filo di alluminio
Deposizione laser pulsataTwente Solid State Technologies (TSST)PLD di TSST con versione software V3.0.29, equipaggiato con un laser a 248 nm KrF
nanosecondi (Compex Pro 205 F) da Coherent
Pressure measurement setupRealizzato sumisuraBasato sui seguenti strumenti elettrici e software scritto su misura:
Keithley 6221 Sorgente di corrente CC e CA
Nanovoltmetro Keithley 2182A
Sistema di commutazione Keithley 7001 con scheda a matrice
Picoamperometro Keithley 6487
Misure HallCriogeniaBasato sui seguenti strumenti elettrici e software scritto su misura:
Keithley 2400 DC sorgente di corrente
Keithley 2182A nanovoltmetro
Sistema di commutazione Keithley 7001 con scheda matrice
FornoCustom madewritten software control di un forno tubolare FTTF 500/70 di Scandia Ovnen AS e di un regolatore di temperatura eurotherm 2216e
standard Custom

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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Deposizione tramite laser pulsatofilm sottili di ossidoprocesso di ricotturaeterostrutture di SrTiO3sintonizzazione della densit dei portatoripropriet elettrichepropriet magneticheingegneria dei difettipreparazione del substrato

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