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

Il metodo qui presentato consente di controllare la quantità di ossigeno vacante nei film sottili di ossido sia durante che dopo la deposizione. I principali progressi di questo approccio sono che le proprietà elettriche e magnetiche possono essere regolate modificando la quantità di posti vacanti di ossigeno. I vuoti di ossigeno fungono da difetti funzionali nella maggior parte dei materiali ossidi e le proprietà di molti ossidi possono quindi essere controllate sistematicamente mediante l'ingegneria dei difetti utilizzando questo approccio.

A dimostrare la procedura saranno Shinhee, Carlos ed Eric, un post-doc e due dottorandi del nostro laboratorio. Per iniziare, acquista substrati di titanato di stronzio con terminazione mista con un angolo superficiale tipico da 0,05 a 0,2 gradi rispetto ai piani cristallini. Pulire il numero desiderato di substrati mediante ultrasuoni in acetone per cinque minuti.

Quindi ultrasonicare i substrati per 20 minuti a 70 gradi Celsius in acqua pulita, che dissolve l'ossido di stronzio o forma complessi di idrossido di stronzio nei domini superficiali terminati con ossido di stronzio, lasciando invariati i domini chimicamente stabili e terminati con biossido di titanio. Nel frattempo, preparare la soluzione di acqua regia aggiungendo lentamente acido cloridrico in acqua e quindi aggiungendo acido nitrico nella soluzione. Successivamente, ultrasonicare i substrati in una soluzione acida contenente acido cloridrico, acido nitrico e acqua a 70 gradi Celsius per 20 minuti in una cappa aspirante per incidere selettivamente l'ossido di stronzio a causa della natura di base dei domini superficiali dell'ossido di stronzio, dell'acidità del biossido di titanio e della presenza dei complessi di idrossido di stronzio.

Rimuovere l'acido residuo dai substrati mediante ultrasuoni in 100 millilitri di acqua pulita per cinque minuti a temperatura ambiente in una cappa aspirante. Quindi cuocere i substrati in un'atmosfera di una barra di ossigeno per un'ora a 1.000 gradi Celsius con una velocità di riscaldamento e raffreddamento di 100 gradi Celsius all'ora in un forno tubolare ceramico per rilassare la superficie del substrato in uno stato a bassa energia. Per depositare un film sottile sui substrati, montare i substrati su un riscaldatore o un supporto di trucioli, a seconda che le misurazioni del trasporto NC2 debbano essere eseguite durante la deposizione.

Quindi, posizionare il substrato terminato con biossido di titanio a 4,7 centimetri dal bersaglio di allumina cristallina singola per una tipica deposizione di allumina gamma sul titanato di stronzio a temperatura ambiente. Prepararsi per l'ablazione da un singolo bersaglio di allumina cristallina in una pressione di ossigeno di 10 alla potenza meno cinque millibar. Regolare le proprietà utilizzando il contenuto di ossigeno utilizzando una pressione di deposizione di ossigeno nell'intervallo 10 alla potenza da meno sei a 0,1 millibar o variando altri parametri di deposizione.

Dopo l'incubazione, osservare il substrato per lo spessore desiderato della deposizione di allumina gamma. Quindi, rimuovere il campione dalla camera di deposizione e interrompere qualsiasi misurazione elettrica. Quindi conservare il campione nel vuoto.

La degradazione del campione è più lenta se conservata sotto vuoto o azoto. Montare il campione su un supporto per trucioli utilizzando pasta d'argento. Quindi collegare elettricamente il campione al supporto del chip utilizzando l'incollaggio del filo a cuneo dei fili di alluminio nella geometria di Van der Pauw.

Quindi, posizionare il supporto del truciolo con il campione in un forno chiuso. Quindi, utilizzando un connettore e fili con isolamento termicamente resistente, collegare elettricamente il supporto del chip all'apparecchiatura di misura e avviare le misurazioni della resistenza del foglio. Quindi posizionare il portatruciolo dotato del campione in un forno chiuso e sciacquare accuratamente con il gas utilizzato per la ricottura, controllando se la resistenza del campione è sensibile a un cambiamento nell'atmosfera.

Ricottura del campione utilizzando il profilo di ricottura desiderato, a seconda dello spessore del film superiore e della velocità desiderata di incorporazione di ossigeno. Interrompere la ricottura quando si è verificato un cambiamento desiderato nella resistenza del foglio. Utilizzando questa configurazione, lo sviluppo della resistenza del foglio in eterostrutture di ossido come il titanato di stronzio di allumina gamma e il titanato di stronzio alluminato di lantanio può essere monitorato in situ durante la deposizione laser pulsata.

Quando l'ambiente di misura viene modificato misurando ex-situ o tramite lavaggio dell'ossigeno in situ, si possono osservare cambiamenti significativi nella resistenza del foglio delle eterostrutture a base di titanato di stronzio. Nei campioni in cui l'allumina gamma è depositata sul titanato di stronzio, la mobilità degli elettroni rimane sostanzialmente invariata a temperatura ambiente, ma cambia drasticamente a due Kelvin quando la pressione di deposizione è variata. Le proprietà delle eterostrutture di ossido possono anche essere regolate dopo la deposizione utilizzando la ricottura.

Lo stato finale è determinato dal tempo di ricottura e dalla temperatura e dall'atmosfera di ricottura. I conduttori di fogli di eterostrutture composte da titanato di stronzio ricoperti di allumina gamma o alluminato di lantanio amorfo sono misurati a varie temperature di ricottura. La diminuzione più rapida della conduttanza è stata osservata per le eterostrutture amorfe di lantanio alluminato di stronzio titanato.

Per le eterostrutture del titanato di stronzio, la densità portante è controllata controllando la ricottura e l'ossigeno. Le fasi di ricottura consecutive determinano una costante diminuzione della densità portante e una transizione da un'interfaccia metallica conduttrice a un'interfaccia isolante. La modifica dello stato conduttore nell'eterostruttura del titanato di stronzio può abilitare proprietà diverse.

Qui, i tentativi di scrivere nanofili usando un microscopio a forza atomica conduttrice non erano possibili prima della ricottura. Tuttavia, dopo la ricottura, le linee conduttrici possono essere scritte e cancellate nell'interfaccia. Usando questo approccio, possiamo modificare sistematicamente le proprietà magnetiche ed elettroniche delle eterostrutture di ossido e, in questo modo, studiare il ruolo dei posti vacanti di ossigeno nel determinare queste proprietà.