Summary
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
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.
Introduction
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. Gli stati localizzati possono, quindi, formare momenti magnetici localizzati e avere un grande impatto, ad esempio, sulle proprietà ottiche e magnetiche 1,2,3. Se gli elettroni diventano delocalizzati, contribuiscono alla densità dei portatori di carica itineranti. Inoltre, se si forma un vuoto di ossigeno o altri difetti, il reticolo si adatta al difetto. La presenza di difetti può, quindi, portare naturalmente a campi di deformazione locali, rottura della simmetria e un trasporto elettronico e ionico modificato negli ossidi.
Il controllo della stechiometria dell'ossigeno è, quindi, spesso la chiave per regolare, ad esempio, le proprietà ottiche, magnetiche e di trasporto dei materiali ossidi. Un esempio importante è quello delle eterostrutture basate su SrTiO 3 e SrTiO3, dove lo stato fondamentale dei sistemi materiali è molto sensibile al contenuto di ossigeno. SrTiO3 non drogato è un isolante non magnetico con una banda proibita di 3,2 eV; tuttavia, introducendo posti vacanti di ossigeno, SrTiO3 cambia lo stato da isolante a conduttore metallico con una mobilità elettronica superiore a 10.000 cm 2/Vs a2 K4. A basse temperature (T < 450 mK), la superconduttività può anche essere lo stato fondamentale preferito 5,6. È stato anche scoperto che i vuoti di ossigeno in SrTiO3 lo rendono ferromagnetico7 e provocano una transizione ottica nello spettro visibile da trasparente a opaco2. Per più di un decennio, c'è stato un grande interesse nel depositare vari ossidi, come LaAlO 3, CaZrO 3 e γ-Al2O 3, su SrTiO 3 ed esaminare le proprietà derivanti dall'interfaccia 8,9,10,11,12,13 . In alcuni casi, risulta che le proprietà dell'interfaccia differiscono notevolmente da quelle osservate nei materiali genitori. Un importante risultato delle eterostrutture basate su SrTiO3 è che gli elettroni possono essere confinati all'interfaccia, il che rende possibile controllare le proprietà relative alla densità degli elettroni itineranti utilizzando il gating elettrostatico. In questo modo, diventa possibile sintonizzare, ad esempio, la mobilità elettronica 14,15, la superconduttività 11, l'accoppiamento elettronico 16 e lo stato magnetico 17 dell'interfaccia, utilizzando campi elettrici.
La formazione dell'interfaccia consente anche un controllo della chimica SrTiO 3, dove la deposizione del film superiore su SrTiO3 può essere utilizzata per indurre una reazione redox attraverso l'interfaccia18,19. Se un film di ossido con un'elevata affinità di ossigeno viene depositato su SrTiO 3, l'ossigeno può trasferirsi dalle parti vicine alla superficie di SrTiO 3 al film superiore, riducendo così SrTiO 3 e ossidando il film superiore (vedi Figura 1).
Figura 1: Formazione di ossigeno vacante in SrTiO3. Illustrazione schematica di come si formano i vuoti di ossigeno e gli elettroni nella regione vicina all'interfaccia di SrTiO3 durante la deposizione di un film sottile con un'elevata affinità di ossigeno. Figura ristampata con il permesso di uno studio di Chen et al.18. Copyright 2011 dell'American Chemical Society. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
In questo caso, i vuoti di ossigeno e gli elettroni si formano vicino all'interfaccia. Si prevede che questo processo sia l'origine della conduttività formata durante la deposizione all'interfaccia tra SrTiO 3 e film metallici o ossidi cresciuti a temperatura ambiente come LaAlO318,20 amorfo o γ-Al2O3 10,21,22,23. Pertanto, le proprietà di queste interfacce basate su SrTiO3 sono altamente sensibili al contenuto di ossigeno nell'interfaccia.
Qui riportiamo l'uso della ricottura post-deposizione e le variazioni dei parametri di deposizione laser pulsata per controllare le proprietà nei materiali ossidi regolando il contenuto di ossigeno. Usiamo γ-Al2O 3 o LaAlO3 amorfo depositato su SrTiO3 a temperatura ambiente come esempi su come la densità portante, la mobilità degli elettroni e la resistenza del foglio possono essere modificate di ordini di grandezza controllando il numero di posti vacanti di ossigeno. I metodi offrono alcuni vantaggi oltre a quelli ottenuti con il gating elettrostatico, che viene tipicamente utilizzato per sintonizzare le proprietà elettriche 9,11,14 e in alcuni casi magnetiche15,17. Questi benefici includono la formazione di uno stato finale (quasi) stabile ed evitare l'uso di campi elettrici, che richiedono il contatto elettrico con il campione e possono causare effetti collaterali.
Di seguito, esaminiamo gli approcci generali per la messa a punto delle proprietà degli ossidi controllando il contenuto di ossigeno. Questo viene fatto in due modi, vale a dire, 1) variando le condizioni di crescita durante la sintesi dei materiali ossidi e 2) ricottura dei materiali ossidi in ossigeno. Gli approcci possono essere applicati per regolare una serie di proprietà in molti materiali di ossido e alcuni monossidi. Forniamo un esempio concreto su come sintonizzare la densità portante all'interfaccia di eterostrutture basate su SrTiO3. Assicurarsi che venga esercitato un elevato livello di pulizia per evitare la contaminazione dei campioni (ad esempio, utilizzando guanti, forni tubolari dedicati a SrTiO3 e pinzette non magnetiche/resistenti agli acidi).
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Protocol
1. Controllo delle proprietà variando le condizioni di crescita
- Preparazione di superfici di alta qualità di SrTiO3
- 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. - Pulire il numero desiderato di substrati mediante ultrasuoni in acetone per 5 minuti ed etanolo per 5 minuti a temperatura ambiente in un ultrasuoni standard.
- Ultrasonicare i substrati per 20 minuti a 70 °C in acqua pulita, che dissolve SrO24 o forma complessi Sr-idrossido in domini superficiali terminati con SrO25, lasciando invariati i domini chimicamente stabili TiO2-terminati 26.
- Ultrasonicare i substrati in una soluzione acida 3:1:16 HCl:HNO 3:H 2 O (ad esempio, 9:3:48 ml) a 70 °C per 20 minuti in una cappa aspirante per incidere selettivamente SrO a causa della natura di base dei domini superficiali SrO, dell'acidità di TiO2e della presenza dei complessi Sr-idrossido.
- Rimuovere l'acido residuo dai substrati mediante ultrasuoni in 100 ml di acqua pulita per 5 minuti a temperatura ambiente in una cappa aspirante.
NOTA: TiO2-terminato SrTiO3 può essere acquistato commercialmente o preparato in vari modi in base all'incisione selettiva di SrO sulla superficie24,27. L'incisione convenzionale in HF porta anche a SrTiO3 terminato con TiO2, ma questo viene evitato qui a causa di problemi di sicurezza e del rischio di doping F non intenzionale di SrTiO328. - Trattare termicamente i substrati in atmosfera di 1 bar di ossigeno per 1 h a 1.000 °C con una velocità di riscaldamento e raffreddamento di 100 °C/h in un forno tubolare ceramico, per rilassare la superficie del substrato in uno stato a bassa energia.
- 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).
- Deposizione del/i filmo/i sottile/i sul substrato
- Montare i substrati sul riscaldatore o su un supporto di trucioli, a seconda che debbano essere eseguite misurazioni di trasporto in situ durante la deposizione.
NOTA: Una pasta d'argento che polimerizza a temperatura ambiente può essere comodamente utilizzata per il montaggio del substrato. - Collegare i quattro angoli della superficie SrTiO3 a un portachip elettricamente utilizzando, ad esempio, l'incollaggio standard del filo a cuneo con fili Al spessi 20 μm, se si desiderano misurazioni di trasporto in situ. Montare il portatruciolo su un supporto portachip in cui i fili collegano il campione a una configurazione di misura elettrica tramite un connettore compatibile con il vuoto.
- Posizionare il substrato con terminazione TiO 2 a 4,7 cm dal bersaglio monocristallino Al 2O 3 per una tipica deposizione di Al2O 3 su SrTiO 3.
- Iniziare le misurazioni della resistenza del foglio utilizzando la geometria di Van der Pauw29, se devono essere eseguite misurazioni di trasporto in situ.
- Riscaldare il substrato a 650 °C ad una velocità di 15 °C/min o mantenere il substrato a temperatura ambiente.
- Prepararsi per l'ablazione da un bersaglio Al2O3 monocristallino in una pressione di ossigeno di 1 x 10-5 mbar utilizzando, ad esempio, un laser KrF pulsato al nanosecondo con una lunghezza d'onda di 248 nm, una fluenza laser di 3,5 J / cm2 e una frequenza di 1 Hz. Regolare le proprietà utilizzando il contenuto di ossigeno utilizzando una pressione di deposizione di ossigeno nell'intervallo da 10-6 a 10-1 mbar o variando altri parametri di deposizione.
- Depositare lo spessore desiderato di γ-Al2O3 (tipicamente 0-5 celle unitarie).
NOTA: Questo può essere determinato utilizzando, ad esempio, oscillazioni riflettenti di diffrazione elettronica ad alta energia (RHEED) o misurazioni al microscopio a forza atomica, dove quest'ultima viene misurata come la differenza di altezza prodotta impedendo la deposizione di γ-Al2O3 da parte del substrato utilizzando una maschera fisica. - Raffreddare l'eterostruttura γ-Al2O 3/SrTiO3 ad una velocità di 15 °C/min alla pressione di deposizione senza eseguire un'ulteriore fase di ricottura se viene eseguita una deposizione ad alta temperatura.
- Rimuovere il campione dalla camera di deposizione e interrompere le misurazioni elettriche.
- Conservare il campione sotto vuoto, azoto o, in alternativa, in condizioni ambientali. La degradazione del campione è più lenta se conservato sotto vuoto o azoto20.
- Montare i substrati sul riscaldatore o su un supporto di trucioli, a seconda che debbano essere eseguite misurazioni di trasporto in situ durante la deposizione.
2. Controllo delle proprietà mediante ricottura termica
- Montare il campione con pasta d'argento su un supporto per trucioli.
- Collegare elettricamente il campione al portachip utilizzando, ad esempio, l'incollaggio del filo a cuneo dei fili Al nella geometria di Van der Pauw29.
- Collegare elettricamente il portachip all'apparecchiatura di misura, utilizzando un connettore e fili con isolamento termicamente resistente.
- Avviare le misurazioni della resistenza del foglio.
- Collocare il portatruciolo dotato del campione in un forno chiuso.
- 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. Le temperature di ricottura tipiche sono 50–250 °C e 100–350 °C per le eterostrutture a-LaAlO 3/SrTiO 3 e γ-Al2O 3/SrTiO 3, rispettivamente, a seconda dello spessore del film superiore e della velocità desiderata di incorporazione dell'ossigeno.
NOTA: utilizzare più opzioni termocompatibili rispetto ai fili Al e ai supporti standard per trucioli ceramici se sono necessarie temperature superiori a 350-400 °C. - Interrompere la ricottura quando si è verificato un cambiamento desiderato nella resistenza del foglio.
- Raffreddare il campione abbassando la temperatura o estrarre il campione.
- Interrompere le misurazioni elettriche.
NOTA: La resistenza dipende generalmente dalla temperatura, che deve essere presa in considerazione se l'obiettivo sono specifiche proprietà di trasporto a una certa temperatura.
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Representative Results
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.
Figura 2: Controllo delle proprietà di trasporto regolando lo spessore dello strato superiore. (a) Illustrazione schematica delle eterostrutture γ-Al2O 3/SrTiO3. b) Resistenza della lamiera (Rs) dell'interfaccia γ-Al 2 O 3/SrTiO 3 in funzione dello spessore dello strato γ-Al2O 3. c) Densità portante della lamiera (ns) in funzione dello spessore dello strato di γ-Al2O3. d) Mobilità del supporto (μ) in funzione dello spessore dello strato di γ-Al2O3. Figura ristampata con il permesso di uno studio di Christensen et al.12. Copyright 2016 di AIP Publishing. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Qui, lo spessore di γ-Al2 O 3 viene variato e la resistenza del foglio risultante viene misurata dopo che l'eterostruttura γ-Al2O 3 / SrTiO 3 viene rimossa dalla camera di deposizione. Ciò si traduce in una grande variazione nel comportamento di trasporto dell'interfaccia γ-Al2O 3/SrTiO3, che va da altamente isolante a conduttore metallico intorno a uno spessore critico di 1 unità di cella (0,8 nm). Se lo spessore è attentamente controllato vicino allo spessore critico, la conduttanza della lamiera e la densità del supporto possono essere regolate di diversi ordini di grandezza. Tuttavia, a temperatura ambiente, la mobilità degli elettroni rimane sostanzialmente invariata. Una sintonizzazione simile può essere trovata quando vengono variati altri parametri di deposizione, come la distanza substrato-bersaglio30 e la pressione parziale dell'ossigeno31.
Mentre la mobilità degli elettroni rimane sostanzialmente invariata a temperatura ambiente, cambia drasticamente quando raffreddiamo il campione a 2 K e quando lo spessore γ-Al2O 3 o la pressione di deposizione sono variati (vedi Figura 3).
Figura 3: Controllo della mobilità degli elettroni variando i parametri di deposizione. La mobilità elettronica (μ) di γ-Al 2 O 3/SrTiO 3 in funzione della densità portante (ns), regolata variando lo spessore di γ-Al2O 3 (diamanti blu), variando principalmente la pressione parziale dell'ossigeno durante la deposizione laser pulsata (cerchi grigi) o eseguendo la postannealing in 1 bar di ossigeno a circa 200 °C (cerchi rossi). Figura ristampata con il permesso di uno studio di Christensen et al.31. Copyright 2018 dell'American Physical Society. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Qui, la mobilità elettronica dell'eterostruttura γ-Al 2 O 3/SrTiO 3 raggiunge un valore superiore a 100.000 cm 2/Vs a 2 K quando il γ-Al2O 3 viene depositatocon uno spessore di 3,5 celle unitarie in una pressione parziale di ossigeno di circa 10-5 mbar. Aumentare la pressione parziale o deviare dallo spessore γ-Al2O3 comporta sia una diminuzione della densità portante che della mobilità degli elettroni di due ordini di grandezza.
Controllo delle proprietà mediante ricottura termica
Il contenuto di ossigeno può anche essere controllato utilizzando la ricottura termica ex situ in condizioni ossidanti o riducenti. Qui, lo stato finale dopo la ricottura è determinato da tre parametri: il tempo di ricottura, la temperatura e l'atmosfera. Un esempio è fornito nella Figura 4a,b.
Figura 4: Controllo delle proprietà di trasporto mediante ricottura in ossigeno. Conduttanza del foglio normalizzata (Gs) delle eterostrutture (a) γ-Al2O 3/SrTiO 3 e (b) amorfe LaAlO 3/SrTiO 3 in funzione del tempo durante il quale i campioni sono ricotti in 1 bar di ossigeno. c) La densità portante del foglio (n s) in funzione della conduttanza del foglio (Gs) misurata a temperatura ambiente dopo che due campioni di γ-Al2O 3/SrTiO 3 sono stati ricotti in 1 bar di ossigeno a circa 200 °C. I due campioni sono stati sintetizzati utilizzando una deposizione laser pulsata di γ-Al2O 3 su SrTiO3 utilizzando una pressione di fondo dell'ossigeno di 10-6 mbar e 10-5 mbar, che porta a diverse densità iniziali del vettore dopo la deposizione. Figura ristampata con il permesso di uno studio di Christensen et al.23. Copyright 2017 dell'American Physical Society. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Qui, viene misurata la conduttanza del foglio delle eterostrutture γ-Al2O 3/SrTiO 3 e amorfe-LaAlO 3/SrTiO 3 mentre i campioni vengono ricotti in 1 bar di ossigeno a varie temperature. La diminuzione più rapida della conduttanza si osserva per le eterostrutture amorfe LaAlO 3/SrTiO 3, e si riscontra che l'annichilazione dei posti vacanti in SrTiO 3 avviene attraverso lo strato23 amorfo LaAlO 3 spesso 16 nm. Il film γ-Al2O 3, tuttavia, funge da strato bloccante per la diffusione dell'ossigeno e i vuoti di ossigeno sul lato SrTiO 3 vengono annichilati attraverso la diffusione dell'ossigeno attraverso SrTiO 3, portando a una conduttività dell'interfaccia termicamente più resistente23. La densità portante delle eterostrutture può essere controllata arrestando la ricottura in ossigeno, come mostrato in Figura 4c per il caso dell'eterostruttura γ-Al2O 3/SrTiO3. In questo caso, l'eterostruttura viene ricotto in più fasi a circa 200 °C. Dopo ogni passaggio, l'eterostruttura viene raffreddata a temperatura ambiente, dove viene misurata la densità portante. La ricottura si traduce in una diminuzione controllata della densità portante, nonché in una transizione da un'interfaccia metallica conduttrice a un'interfaccia isolante.
La variazione dello stato conduttivo dell'eterostruttura γ-Al2O 3/SrTiO3 può essere utilizzata per abilitare proprietà diverse23. La Figura 5 mostra un esempio.
Figura 5: Abilitazione della scrittura di polimeri conduttori La resistenza a quattro sonde in funzione del tempo come nanolinee conduttrici viene tentata di essere scritta usando una punta di microscopia a forza atomica conduttrice (c-AFM). Dopo la ricottura a circa 150 °C per 3 ore, le linee conduttrici possono essere scritte all'interfaccia γ-Al 2 O 3/SrTiO 3 applicando una polarizzazione positiva sulla punta c-AFM e scansionando sulla superficie γ-Al2O 3. Quando la linea conduttrice contatta due elettrodi, la resistenza diminuisce bruscamente. L'applicazione di una polarizzazione negativa e la scansione attraverso la linea conduttrice porta alla cancellazione del polimero. Figura ristampata con il permesso di uno studio di Christensen et al.23. Copyright 2017 dell'American Physical Society. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Qui, le nanolinee conduttrici possono essere disegnate usando la microscopia a forza atomica conduttiva (c-AFM) solo in uno stato resistivo elevato. Dopo la deposizione di γ-Al2 O 3, l'eterostruttura è in uno stato resistivo basso e non si verifica alcun cambiamento osservabile quando una punta c-AFM con una polarizzazione positiva esegue scansioni sulla superficie γ-Al2O3 da un elettrodo all'altro. Tuttavia, dopo aver riprodotto l'eterostruttura a 150 °C in aria per 3 ore, è possibile ottenere uno stato resistivo elevato all'interfaccia. Quando la punta polarizzata positivamente viene scansionata tra gli elettrodi, è possibile formare una linea conduttrice con una larghezza di circa 50 nm all'interfaccia ad alta resistività. Quando la nanolinea collega i due elettrodi, si osserva una forte diminuzione della resistenza, come riportato in precedenza32,33. La nanolinea può essere successivamente cancellata applicando una polarizzazione negativa sulla punta e scansionando attraverso la nanolinea.
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Discussion
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, i vuoti di ossigeno interfacciale sono tipicamente formati utilizzando la deposizione laser pulsata, che può catturare lo stato di ossidazione in uno stato di non equilibrio34. In questo caso, il profilo di temperatura e la pressione parziale dell'ossigeno durante e dopo la deposizione sono cruciali per le proprietà risultanti. I posti vacanti di ossigeno in SrTiO3 sono tipicamente instabili in condizioni ambientali22 e le variazioni del contenuto di ossigeno indotte dalla ricottura saranno generalmente irreversibili.
Altri svantaggi sono gli effetti collaterali della temperatura elevata o della deposizione modificata. Durante temperature elevate, può verificarsi la diffusione cationica, ad esempio. Una significativa interdiffusione cationica è stata riportata durante la deposizione laser pulsata di vari ossidi su SrTiO3 10,35,36. Il controllo del contenuto di ossigeno viene in genere effettuato modificando la pressione di deposizione di ossigeno. Al di sotto di una pressione di circa 10-3 mbar, il pennacchio di plasma nella deposizione laser pulsata è difficilmente influenzato dalla pressione di fondo e un cambiamento nello stato di ossidazione di SrTiO3 avviene per interazioni con l'atmosfera circostante a temperature elevate37. Quando la pressione viene aumentata da 10-3 a 10-1 mbar, il gas di fondo interagisce con il pennacchio di plasma, il che si traduce nell'ossidazione del pennacchio, oltre a ridurre l'energia cinetica delle specie plasmatiche37. Ciò può influenzare il livello di interdiffusione cationica poiché la temperatura effettiva sulla superficie di SrTiO3 si abbassa e le specie plasmatiche arrivano con velocità inferiori. L'argon arresta le specie plasmatiche con la stessa efficienza dell'ossigeno e, quindi, gli effetti collaterali della variazione dell'energia cinetica possono essere aggirati fissando la pressione totale di deposizione ma variando la pressione parziale dell'ossigeno, usando una miscela argon/ossigeno37. Quando si esegue la ricottura, la diffusione cationica può essere evitata ricottura a temperature abbastanza alte da consentire la diffusione dell'ossigeno ma abbastanza basse da impedire una significativa diffusione cationica. Questo è il caso delle eterostrutture a base di SrTiO3 ricotto a 100-350 °C considerate qui23,36. Va tuttavia notato che in alcuni casi, la diffusione cationica e le variazioni nella configurazione del difetto indotte dalla deposizione o dalla postannealing possono anche essere un modo desiderabile per regolare le proprietà dell'ossido.
I due diversi approcci per modificare il contenuto di ossigeno differiscono l'uno dall'altro in diversi modi. Utilizzando l'approccio di crescita in cui i parametri di deposizione laser pulsata sono variati, è possibile ottenere stati termodinamicamente stabili o temprati termicamente in uno stato di non equilibrio34. L'approccio di ricottura spinge il campione verso l'equilibrio termico alle condizioni di ricottura date, ma è anche possibile ottenere stati intermedi di non equilibrio. L'approccio di ricottura, inoltre, riduce al minimo le variazioni da campione a campione in quanto le proprietà possono essere sintonizzate in un singolo campione, mentre campioni diversi con proprietà diverse vengono preparati secondo l'approccio di crescita. D'altra parte, lo stato iniziale potrebbe essere perso dopo il processo di ricottura.
I due approcci differiscono anche dal gating elettrostatico, che viene solitamente utilizzato per regolare, in particolare, la densità portante dei sistemi elettronici confinati. Il gating elettrostatico beneficia di un cambiamento rapido e versatile delle proprietà elettriche, che spesso può essere fatto in situ durante la misurazione di altre proprietà. Tuttavia, lo stato di ottenimento non è permanente, può essere osservata un'isteresi significativa e l'intervallo in cui la densità portante può essere regolata è limitato (tipicamente nell'ordine di meno di 10-12 / cm2 per back-gating con ~ 100 V attraverso 0,5 mm di spessore SrTiO3) 12,23,38,39 . Il controllo delle proprietà regolando il contenuto di ossigeno vacante porta ad uno stato (quasi-)permanente con grandi cambiamenti nella densità portante10,23 e la possibilità di modificare proprietà che non sono necessariamente influenzate da un cambiamento nella densità degli elettroni itineranti. Inoltre, una combinazione dei processi di gating e ricottura può utilizzare i rispettivi vantaggi per un controllo preciso delle proprietà dell'interfaccia.
L'approccio di ricottura è particolarmente compatibile con una serie di misurazioni aggiuntive oltre alle misurazioni di resistenza qui descritte. Queste misurazioni possono includere misurazioni Hall, gate, ottiche e magnetiche, che possono essere utilizzate per sondare la sintonizzazione di varie proprietà. Le misurazioni includono anche quelle in cui l'accesso al filo o il gating elettrostatico è impegnativo, come gli esperimenti di fotoemissione.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SrTiO3 | Crystec | Single crystalline (001) oriented, 0.05-0.2 degree miscut angle | |
| LaAlO3 | Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd. | Single crystalline | |
| Al2O3 | Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd. | Single crystalline | |
| Chemicals and gases | Standard suppliers | ||
| Silver paste | SPI Supplies, Structure Probe Inc | 05001-AB, High purity silver paint | |
| Ultrasonicator | VWR | USC500D HF45kHz/100W | |
| Wedge wire bonder | Shenzhen Baixiangyuan Science & Technology Co.,Ltd. | HS-853A Aluminum wire bonder | |
| Pulsed laser deposition | Twente Solid State Technologies (TSST) | PLD from TSST with software version V3.0.29, equipped with a 248 nm KrF nanosecond laser (Compex Pro 205 F) from Coherent |
|
| Resistance measurement setup | Custom made | Based on the following electrical instruments and custom written software: Keithley 6221 DC and AC current source Keithley 2182A nanovoltmeter Keithley 7001 switch system with a matrix card Keithley 6487 picoammeter |
|
| Hall measurements | Cryogenics | Based on the following electrical instruments and custom written software: Keithley 2400 DC current source Keithley 2182A nanovoltmeter Keithley 7001 switch system with a matrix card |
|
| Furnace | Custom made | Custom written software control of a FTTF 500/70 tube furnace from Scandia Ovnen AS and a eurotherm 2216e temperature controller |
References
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