Настройка свойств оксида методом контроля вакансий кислорода при росте и отжиге

Представленный здесь способ позволяет контролировать количество кислородных вакансий в тонких пленках оксидов как во время, так и после осаждения. Основные достижения этого подхода заключаются в том, что электрические и магнитные свойства могут быть настроены путем изменения количества кислородных вакансий. Кислородные вакансии служат функциональными дефектами в большинстве оксидных материалов, и поэтому свойства многих оксидов можно систематически контролировать с помощью дефектной инженерии с использованием этого подхода.

Продемонстрацией процедуры будут Шинхи, Карлос и Эрик, постдок и два аспиранта из нашей лаборатории. Для начала приобретите подложки из титаната стронция со смешанными концами с типичным углом поверхности от 0,05 до 0,2 градуса по отношению к кристаллическим плоскостям. Очистите желаемое количество субстратов ультразвуком в ацетоне в течение пяти минут.

Затем ультразвуком обрабатывают субстраты в течение 20 минут при 70 градусах Цельсия в чистой воде, которая растворяет оксид стронция или образует комплексы гидроксида стронция на поверхностных доменах, оканчивающихся оксидом стронция, оставляя при этом химически стабильные домены, завершенные диоксидом титана, без изменений. Тем временем приготовьте раствор царской водки, медленно добавляя соляную кислоту в воду, а затем добавляя азотную кислоту в раствор. Затем ультразвуком проведите ультразвук субстратов в кислом растворе, содержащем соляную кислоту, азотную кислоту и воду при 70 градусах Цельсия в течение 20 минут в вытяжном шкафу, чтобы выборочно вытравить оксид стронция из-за основной природы поверхностных доменов оксида стронция, кислотности диоксида титана и присутствия комплексов гидроксида стронция.

Удалите остаточную кислоту с субстратов ультразвуком в 100 миллилитрах чистой воды в течение пяти минут при комнатной температуре в вытяжном шкафу. Затем запекают субстраты в атмосфере одного бара кислорода в течение одного часа при температуре 1 000 градусов Цельсия со скоростью нагрева и охлаждения 100 градусов Цельсия в час в керамической трубчатой печи, чтобы расслабить поверхность подложки до состояния с низкой энергией. Чтобы нанести тонкую пленку на подложки, установите подложки на нагреватель или держатель стружки, в зависимости от того, должны ли измерения транспортировки NC2 выполняться во время осаждения.

Затем поместите подложку с концевыми концами диоксида титана на расстоянии 4,7 сантиметра от монокристаллической мишени из оксида алюминия для типичного осаждения гамма-оксида алюминия на титанате стронция при комнатной температуре. Подготовьтесь к абляции из монокристаллического оксида алюминия при давлении кислорода 10 до мощности минус пять миллибар. Настройте свойства, используя содержание кислорода, используя давление осаждения кислорода в диапазоне от 10 до степени минус шесть до 0,1 миллибар или изменяя другие параметры осаждения.

После инкубации наблюдайте за субстратом на желаемую толщину осаждения гамма-оксида алюминия. Затем извлеките образец из камеры осаждения и прекратите любые электрические измерения. Затем храните образец в вакууме.

Разложение образца происходит медленнее всего при хранении в вакууме или азоте. Смонтируйте образец на носитель чипа с помощью серебряной пасты. Затем электрически соедините образец с носителем микросхемы с помощью клинового соединения алюминиевых проводов в геометрии Ван-дер-Пау.

Далее помещают держатель стружки с образцом в закрытую печь. Затем, используя разъем и провода с термостойкой изоляцией, электрически подключите носитель микросхемы к измерительному оборудованию и начните измерения сопротивления листа. Затем поместите держатель стружки, оснащенный образцом, в закрытую печь и тщательно промойте газом, используемым для отжига, проверяя, чувствительно ли сопротивление образца к изменению атмосферы.

Отжигают образец, используя желаемый профиль отжига, в зависимости от толщины верхней пленки и желаемой скорости включения кислорода. Прервите отжиг, когда произойдет желаемое изменение сопротивления листа. Используя эту установку, можно контролировать развитие сопротивления листа в оксидных гетероструктурах, таких как гамма-оксид алюминия, титанат стронция и титанат стронция из алюмината лантана, можно контролировать на месте во время импульсного лазерного осаждения.

Когда измерительная среда изменяется путем измерения ex-situ или с помощью промывки кислородом in-situ, можно наблюдать значительные изменения сопротивления листа гетероструктур на основе титаната стронция. В образцах, где гамма-оксид алюминия осаждается на титанате стронция, подвижность электронов остается в основном неизменной при комнатной температуре, но резко изменяется при двух Кельвинах при изменении давления осаждения. Свойства оксидных гетероструктур также могут быть настроены после осаждения с помощью отжига.

Конечное состояние определяется временем отжига, температурой отжига и атмосферой. Листовые проводители гетероструктур, состоящих из титаната стронция, покрытого гамма-оксидом алюминия или аморфным алюминатом лантана, измеряют при различных температурах отжига. Наиболее быстрое снижение проводимости наблюдалось для аморфных гетероструктур алюмината лантана, титаната стронция.

Для гетероструктур титаната стронция плотность носителей контролируется путем управления отжигом и кислородом. Последовательные этапы отжига приводят к неуклонному снижению плотности носителей и переходу от металлической проводящей к изолирующей границе. Изменение проводящего состояния в гетероструктуре титаната стронция может привести к различным свойствам.

Здесь попытки написать нанопроволоки с помощью проводящего атомно-силового микроскопа были невозможны до отжига. Однако после отжига проводящие линии могут быть записаны и стерты на границе раздела. Используя этот подход, мы можем систематически изменять магнитные и электронные свойства оксидных гетероструктур и таким образом изучать роль кислородных вакансий в определении этих свойств.