Ajuste das propriedades do óxido pelo controle de vacância de oxigênio durante o crescimento e recozimento

O método aqui apresentado permite controlar a quantidade de vacâncias de oxigênio em filmes finos de óxidos durante e após a deposição. Os principais avanços dessa abordagem é que as propriedades elétricas e magnéticas podem ser ajustadas modificando a quantidade de vacâncias de oxigênio. As vagas de oxigênio servem como defeitos funcionais na maioria dos materiais óxidos, e as propriedades de muitos óxidos podem, portanto, ser controladas sistematicamente pela engenharia de defeitos usando esta abordagem.

Quem demonstrará o procedimento serão Shinhee, Carlos e Eric, um pós-doutorando e dois alunos de doutorado do nosso laboratório. Para começar, compre substratos de titanato de estrôncio de terminação mista com um ângulo de superfície típico de 0,05 a 0,2 graus em relação aos planos de cristal. Limpe o número desejado de substratos por ultrassom em acetona por cinco minutos.

Em seguida, ultrasonicar os substratos por 20 minutos a 70 graus Celsius em água limpa, que dissolve óxido de estrôncio ou forma complexos de hidróxido de estrôncio em domínios de superfície terminados com óxido de estrôncio, deixando os domínios terminados quimicamente estáveis de dióxido de titânio inalterados. Enquanto isso, prepare a solução de aqua regia adicionando lentamente ácido clorídrico na água e, em seguida, adicionando ácido nítrico na solução. Em seguida, ultrasonicar os substratos em uma solução ácida contendo ácido clorídrico, ácido nítrico e água a 70 graus Celsius por 20 minutos em uma capela de fumaça para gravar seletivamente o óxido de estrôncio devido à natureza básica dos domínios superficiais do óxido de estrôncio, à acidez do dióxido de titânio e à presença dos complexos de hidróxido de estrôncio.

Remova o ácido residual dos substratos por ultrassonografia em 100 mililitros de água limpa por cinco minutos à temperatura ambiente em uma exaustora. Em seguida, asse os substratos em uma atmosfera de uma barra de oxigênio por uma hora a 1.000 graus Celsius com uma taxa de aquecimento e resfriamento de 100 graus Celsius por hora em um forno de tubo cerâmico para relaxar a superfície do substrato em um estado com baixa energia. Para depositar um filme fino sobre os substratos, monte os substratos em um aquecedor ou transportador de cavacos, dependendo se as medições de transporte de NC2 devem ser realizadas durante a deposição.

Em seguida, coloque o substrato terminado com dióxido de titânio a 4,7 centímetros do alvo de alumina cristalina única para uma deposição típica de alumina gama sobre titanato de estrôncio à temperatura ambiente. Prepare-se para ablação de um único alvo de alumina cristalina em uma pressão de oxigênio de 10 até a potência menos cinco milibares. Ajuste as propriedades usando o conteúdo de oxigênio usando uma pressão de deposição de oxigênio na faixa de 10 para a potência menos seis a 0,1 milibares, ou variando outros parâmetros de deposição.

Após a incubação, observar o substrato quanto à espessura desejada de deposição de alumina gama. Em seguida, remova a amostra da câmara de deposição e pare todas as medições elétricas. Em seguida, armazene a amostra no vácuo.

A degradação da amostra é mais lenta quando armazenada no vácuo ou em nitrogênio. Monte a amostra em um suporte de chip usando pasta de prata. Em seguida, conecte eletricamente a amostra ao porta-lascas usando a colagem de fios de alumínio na geometria de Van der Pauw.

Em seguida, coloque o porta-cavacos com a amostra em um forno fechado. Em seguida, usando um conector e fios com isolamento termicamente resistente, conecte eletricamente o suporte de cavacos ao equipamento de medição e inicie as medições de resistência da chapa. Em seguida, coloque o transportador de cavacos equipado com a amostra em um forno fechado e lave completamente com o gás usado para o recozimento enquanto verifica se a resistência da amostra é sensível a uma mudança na atmosfera.

Recozir a amostra usando o perfil de recozimento desejado, dependendo da espessura do filme superior e da taxa desejada de incorporação de oxigênio. Aborte o recozimento quando ocorrer uma alteração desejada na resistência da chapa. Usando esta configuração, o desenvolvimento da resistência da folha em heteroestruturas de óxidos como titanato de estrôncio de alumina gama e titanato de estrôncio de aluminato de lantânio pode ser monitorado in situ durante a deposição pulsada a laser.

Quando o ambiente de medição é alterado pela medição ex-situ ou via descarga de oxigênio in-situ, mudanças significativas na resistência da folha das heteroestruturas baseadas em titanato de estrôncio podem ser observadas. Em amostras onde a alumina gama é depositada sobre titanato de estrôncio, a mobilidade do elétron permanece praticamente inalterada à temperatura ambiente, mas muda drasticamente em dois Kelvin quando a pressão de deposição é variada. As propriedades das heteroestruturas de óxidos também podem ser ajustadas após a deposição usando recozimento.

O estado final é determinado pelo tempo de recozimento e temperatura de recozimento e atmosfera. Os condutores de folhas de heteroestruturas compostas de titanato de estrôncio coberto com alumina gama ou aluminato de lantânio amorfo são medidos em várias temperaturas de recozimento. A diminuição mais rápida na condutância foi observada para as heteroestruturas amorfas de titanato de lantânio aluminato de estrôncio.

Para as heteroestruturas de titanato de estrôncio, a densidade do carreador é controlada controlando-se o recozimento e o oxigênio. Etapas consecutivas de recozimento resultam em uma diminuição constante da densidade do portador e uma transição de uma interface condutora metálica para uma interface isolante. A alteração do estado condutor na heteroestrutura do titanato de estrôncio pode permitir diferentes propriedades.

Aqui, tentativas de escrever nanofios usando um microscópio de força atômica condutor não foram possíveis antes do recozimento. No entanto, após o recozimento, as linhas condutoras podem ser escritas e apagadas na interface. Usando esta abordagem, podemos alterar sistematicamente as propriedades magnéticas e eletrônicas de heteroestruturas de óxidos e, desta forma, estudar o papel das vacâncias de oxigênio na determinação dessas propriedades.