Summary
Oxidmaterial visar många exotiska egenskaper som kan kontrolleras genom att ställa in syrehalten. Här demonstrerar vi avstämning av syrehalten i oxider genom att variera de pulsade laserdeponeringsparametrarna och genom att utföra postannealing. Som ett exempel är elektroniska egenskaper hos SrTiO3-baserade heterostrukturer inställda genom tillväxtmodifieringar och glödgning.
Abstract
Elektriska, optiska och magnetiska egenskaper hos oxidmaterial kan ofta styras genom att variera syrehalten. Här beskriver vi två tillvägagångssätt för att variera syrehalten och ger konkreta exempel för att ställa in de elektriska egenskaperna hos SrTiO3-baserade heterostrukturer. I det första tillvägagångssättet styrs syrehalten genom att variera deponeringsparametrarna under en pulsad laseravsättning. I det andra tillvägagångssättet ställs syrehalten in genom att proverna utsätts för glödgning i syre vid förhöjda temperaturer efter filmtillväxten. Metoderna kan användas för ett brett spektrum av oxider och icke-oxidmaterial där egenskaperna är känsliga för en förändring i oxidationstillståndet.
Tillvägagångssätten skiljer sig avsevärt från elektrostatisk grind, som ofta används för att ändra de elektroniska egenskaperna hos slutna elektroniska system som de som observerats i SrTiO3-baserade heterostrukturer. Genom att kontrollera syrevakanskoncentrationen kan vi kontrollera bärartätheten över många storleksordningar, även i icke-begränsade elektroniska system. Dessutom kan egenskaper kontrolleras, som inte är känsliga för densiteten hos ambulerande elektroner.
Introduction
Syrehalten spelar en viktig roll i oxidmaterialens egenskaper. Syre har en hög elektronegativitet och lockar i den helt joniska gränsen två elektroner från angränsande katjoner. Dessa elektroner doneras till gallret när en syrevakans bildas. Elektronerna kan fångas och bilda ett lokaliserat tillstånd, eller de kan bli avlokaliserade och kunna leda en laddningsström. De lokaliserade tillstånden är vanligtvis belägna i bandgapet mellan valens- och ledningsbandet med ett totalt vinkelmoment som kan vara icke-noll 1,2,3. De lokaliserade tillstånden kan således bilda lokaliserade magnetiska moment och ha stor inverkan på till exempel de optiska och magnetiska egenskaperna 1,2,3. Om elektronerna blir avlokaliserade bidrar de till tätheten hos ambulerande laddningsbärare. Dessutom, om en syrevakans eller andra defekter bildas, anpassar gallret till defekten. Förekomsten av defekter kan därför naturligt leda till lokala töjningsfält, symmetribrott och en modifierad elektronisk och jonisk transport i oxider.
Att kontrollera syrestökiometrin är därför ofta nyckeln till att ställa in till exempel de optiska, magnetiska och transportegenskaperna hos oxidmaterial. Ett framträdande exempel är SrTiO 3 och SrTiO3-baserade heterostrukturer, där grundtillståndet i materialsystemen är mycket känsligt för syrehalten. Odopad SrTiO 3 är en icke-magnetisk isolator med ett bandgap på3,2 eV; Men genom att införa syrevakanser ändrar SrTiO3 tillståndet från isolerande till metalliskt ledande med en elektronrörlighet som överstiger 10 000 cm 2/V vid2 K4. Vid låga temperaturer (T < 450 mK) kan supraledning till och med vara det föredragna marktillståndet 5,6. Syrevakanser i SrTiO3 har också visat sig göra det ferromagnetiskt7 och resultera i en optisk övergång i det synliga spektrumet från transparent till ogenomskinligt2. I mer än ett decennium har det funnits ett stort intresse för att deponera olika oxider, såsom LaAlO 3, CaZrO 3 och γ-Al2O 3, på SrTiO 3 och undersöka egenskaperna som uppstår vid gränssnittet 8,9,10,11,12,13 . I vissa fall visar det sig att gränssnittets egenskaper skiljer sig markant från de som observerats i modermaterialen. Ett viktigt resultat av de SrTiO3-baserade heterostrukturerna är att elektronerna kan begränsas till gränssnittet, vilket gör det möjligt att styra egenskaperna relaterade till densiteten hos ambulerande elektroner med hjälp av elektrostatisk grind. På detta sätt blir det möjligt att ställa in till exempel elektronmobilitet 14,15, supraledning 11, elektronparning 16 och magnetiskt tillstånd 17 i gränssnittet med hjälp av elektriska fält.
Bildandet av gränssnittet möjliggör också en kontroll av SrTiO 3-kemin, där avsättningen av toppfilmen på SrTiO3 kan användas för att inducera en redoxreaktion över gränssnittet18,19. Om en oxidfilm med hög syreaffinitet deponeras på SrTiO3 kan syre överföras från de ytnära delarna av SrTiO3 till den övre filmen, vilket reducerar SrTiO3 och oxiderar den övre filmen (se figur 1).
Figur 1: Bildning av syrevakans i SrTiO3. Schematisk illustration av hur syrevakanser och elektroner bildas i det gränsnära området av SrTiO3 under avsättningen av en tunn film med hög syreaffinitet. Omtryckt figur med tillstånd från en studie av Chen et al.18. Copyright 2011 av American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna figur.
I detta fall bildas syrevakanser och elektroner nära gränssnittet. Denna process förväntas vara ursprunget till den konduktivitet som bildas under deponeringen vid gränssnittet mellan SrTiO3 och rumstemperaturodlade metallfilmer eller oxider såsom amorf LaAlO3 18,20 eller γ-Al 2O3 10,21,22,23. Således är egenskaperna hos dessa SrTiO3-baserade gränssnitt mycket känsliga för syrehalten vid gränssnittet.
Här redovisar vi användningen av postdeponeringsglödgning och variationer i de pulsade laserdeponeringsparametrarna för att styra egenskaperna i oxidmaterial genom att ställa in syrehalten. Vi använder γ-Al2O3eller amorf LaAlO 3 deponerad på SrTiO 3 vid rumstemperatur som exempel på hur bärartäthet, elektronrörlighet och arkmotstånd kan ändras med storleksordningar genom att kontrollera antalet syrevakanser. Metoderna erbjuder vissa fördelar utöver de som erhålls med elektrostatisk grind, som vanligtvis används för att ställa in de elektriska 9,11,14 och i vissa fall de magnetiska15,17-egenskaperna. Dessa fördelar inkluderar att bilda ett (kvasi-) stabilt sluttillstånd och undvika användning av elektriska fält, vilket kräver elektrisk kontakt med provet och kan orsaka biverkningar.
I det följande granskar vi allmänna metoder för att ställa in oxidernas egenskaper genom att kontrollera syrehalten. Detta görs på två sätt, nämligen 1) genom att variera tillväxtförhållandena vid syntetisering av oxidmaterialen och 2) genom glödgning av oxidmaterialen i syre. Tillvägagångssätten kan tillämpas för att ställa in en rad egenskaper i många oxid- och vissa monoxidmaterial. Vi ger ett konkret exempel på hur man ställer in bärartätheten vid gränssnittet för SrTiO3-baserade heterostrukturer. Se till att en hög renhetsnivå utövas för att undvika kontaminering av proverna (t.ex. genom att använda handskar, rörugnar avsedda för SrTiO3 och icke-magnetisk/syrafast pincett).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kontrollera egenskaper genom olika tillväxtförhållanden
- Beredning av högkvalitativa ytor av SrTiO3
- Köp blandade terminerade SrTiO3-substrat (t.ex. 5 mm x 5 mm x 0,5 mm i storlek) med en typisk ytvinkel på 0,05 °–0,2 ° med avseende på (001) kristallplan.
OBS: Den felskurna vinkeln bestämmer ytans planhet, vilket är viktigt för epitaxiell tillväxt på substratet, liksom för de resulterande egenskaperna vid gränssnittet. - Rengör önskat antal substrat genom ultraljud i aceton i 5 minuter och etanol i 5 minuter vid rumstemperatur i en standard ultrasonicator.
- Ultraljud substraten i 20 min vid 70 ° C i rent vatten, vilket löser upp SrO24 eller bildar Sr-hydroxidkomplex vid ytdomäner avslutade med SrO 25, samtidigt som de kemiskt stabila TiO2-avslutade domänerna lämnas oförändrade26.
- Ultraljud substraten i en 3:1:16 HCl: HNO 3: H2O sur lösning (t.ex. 9:3: 48 ml) vid 70 ° C i 20 min i en dragskåp för att selektivt etsa SrO på grund av den grundläggande karaktären hos SrO-ytdomäner, surheten hosTiO2 och närvaron av Sr-hydroxidkomplexen.
- Ta bort restsyran från substraten genom ultraljud i 100 ml rent vatten i 5 minuter vid rumstemperatur i en dragskåp.
OBS: TiO2-terminerad SrTiO3 kan köpas kommersiellt eller beredas på olika sätt baserat på selektiv etsning av SrO på ytan24,27. Den konventionella etsningen i HF leder också till TiO2-avslutad SrTiO 3, men detta undviks här på grund av säkerhetsproblem och risk för oavsiktlig F-dopning av SrTiO328. - Termiskt behandla substraten i en atmosfär med 1 bar syre i 1 timme vid 1 000 °C med en uppvärmnings- och kylningshastighet på 100 °C/h i en keramisk rörugn för att slappna av substratytan till ett tillstånd med låg energi.
- Köp blandade terminerade SrTiO3-substrat (t.ex. 5 mm x 5 mm x 0,5 mm i storlek) med en typisk ytvinkel på 0,05 °–0,2 ° med avseende på (001) kristallplan.
- Avsättning av den tunna filmen/tunnfilmerna på underlaget
- Montera underlagen på värmaren eller en spånbärare, beroende på om transportmätningar på plats under deponeringen ska utföras.
OBS: En silverpasta som härdar vid rumstemperatur kan bekvämt användas för underlagsmontering. - Anslut de fyra hörnen på SrTiO3-ytan till en spånbärare elektriskt med hjälp av till exempel standard kiltrådsbindning med 20 μm tjocka Al-trådar, om transportmätningar på plats önskas. Montera spånbäraren på en spånbärarhållare där ledningar ansluter provet till en elektrisk mätinställning via en vakuumkompatibel kontakt.
- Placera TiO 2-terminerat substrat 4,7 cm från det enkristallina Al 2O3-målet för en typisk avsättning av Al 2O3 på SrTiO3.
- Starta motståndsmätningar av ark med Van der Pauw-geometri29, om in situ-transportmätningar ska utföras.
- Värm underlaget till 650 °C med en hastighet av 15 °C/min eller håll underlaget vid rumstemperatur.
- Förbered för ablering från ett enkristallint Al2O3-mål i ett syretryck på 1 x 10-5 mbar med t.ex. en nanosekundpulsad KrF-laser med en våglängd på 248 nm, en laserfluens på 3,5 J/cm2 och en frekvens på 1 Hz. Ställ in egenskaperna med hjälp av syrehalten genom att använda ett syreavsättningstryck i intervallet 10-6 till 10-1 mbar eller genom att variera andra deponeringsparametrar.
- Avsätt önskad tjocklek av γ-Al2O3 (typiskt 0-5 enhetsceller).
OBS: Detta kan bestämmas med hjälp av t.ex. reflekterande högenergielektrondiffraktioner (RHEED) svängningar eller mätningar av atomkraftmikroskopi, där den senare mäts som den höjdskillnad som produceras genom att förhindra avsättning av γ-Al2O3 från substratets sida med hjälp av en fysisk mask. - Kyl ned heterostrukturen γ-Al2O3/SrTiO3 med en hastighet av 15 °C/min vid deponeringstrycket utan att utföra ytterligare glödgningssteg om en högtemperaturavsättning görs.
- Ta ut provet ur deponeringskammaren och stoppa de elektriska mätningarna.
- Förvara provet i vakuum, kväve eller alternativt vid omgivningsförhållanden. Provnedbrytningen är långsammast vid förvaring i vakuum eller kväve20.
- Montera underlagen på värmaren eller en spånbärare, beroende på om transportmätningar på plats under deponeringen ska utföras.
2. Kontrollera egenskaper genom termisk glödgning
- Montera provet med silverpasta på en chipbärare.
- Anslut provet elektriskt till spånbäraren med hjälp av t.ex. kiltrådsbindning av Al-ledningar i Van der Pauw-geometrin29.
- Anslut spånbäraren elektriskt till mätutrustningen med hjälp av en kontakt och ledningar med värmebeständig isolering.
- Starta arkmotståndsmätningarna.
- Placera flisbäraren utrustad med provet i en sluten ugn.
- Spola noggrant med gasen som används för glödgningen medan du kontrollerar om provmotståndet är känsligt för en förändring i atmosfären.
- Glödgla provet med önskad glödgningsprofil. Typiska glödgningstemperaturer är 50–250 °C och 100–350 °C för heterostrukturer av typen a-LaAlO3/SrTiO3 respektive γ-Al2O3/SrTiO3, beroende på toppfilmens tjocklek och den önskade syreinkorporeringshastigheten.
Använd fler värmekompatibla alternativ än Al-ledningar och vanliga keramiska spånbärare om temperaturer över 350–400 °C behövs. - Avbryt glödgningen när en önskad förändring i arkmotståndet har inträffat.
- Kyl ner provet genom att sänka temperaturen eller ta ut provet.
- Stoppa de elektriska mätningarna.
OBS: Motståndet är i allmänhet temperaturberoende, vilket måste beaktas om specifika transportegenskaper vid en viss temperatur är målet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kontrollera egenskaper genom varierande tillväxtförhållanden
Att variera deponeringsparametrarna under deponeringen av oxider kan leda till en stor förändring av egenskaperna, särskilt för SrTiO3-baserade heterostrukturer, som visas i figur 2.
Figur 2: Kontrollera transportegenskaperna genom att ställa in toppskiktets tjocklek. a) Schematisk illustration av heterostrukturerna γ-Al2O 3/SrTiO3. b) Arkmotståndet (R s) för γ-Al 2 O 3/SrTiO3-gränssnittet som en funktion av tjockleken på γ-Al2O3-skiktet. c) Arkbärartätheten (ns) som en funktion av skikttjockleken γ-Al2O3. d) Bärarens rörlighet (μ) som en funktion av skikttjockleken γ-Al2O3. Omtryckt figur med tillstånd från en studie av Christensen et al.12. Copyright 2016 av AIP Publishing. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Här varieras tjockleken på γ-Al2O3 och det resulterande arkmotståndet mäts efter att heterostrukturen γ-Al2O 3 / SrTiO3 har avlägsnats från deponeringskammaren. Detta resulterar i en stor variation i transportbeteendet hos γ-Al2O 3 / SrTiO3-gränssnittet, allt från högisolerande till metallisk ledning runt en kritisk tjocklek på 1-enhetscell (0,8 nm). Om tjockleken kontrolleras noggrant nära den kritiska tjockleken kan arkkonduktansen och bärardensiteten ställas in med flera storleksordningar. Men vid rumstemperatur förblir elektronrörligheten i stort sett oförändrad. En liknande inställning kan hittas när andra deponeringsparametrar varieras, såsom substrat-till-mål-avståndet30 och syrepartialtrycket31.
Medan elektronrörligheten förblir i stort sett oförändrad vid rumstemperatur, förändras den dramatiskt när vi kyler provet till 2 K och när γ-Al2O3-tjockleken eller avsättningstrycket varieras (se figur 3).
Figur 3: Kontrollera elektronrörligheten genom att variera deponeringsparametrarna. Elektronrörligheten (μ) för γ-Al2O3/SrTiO3 som en funktion av bärartätheten (ns), avstämd genom att variera tjockleken på γ-Al 2O3 (blå diamanter), främst genom att variera syrepartialtrycket under pulsad laseravsättning (grå cirklar) eller genom att utföra postglödgning i 1 bar syre vid ca200°C (röda cirklar). Omtryckt figur med tillstånd från en studie av Christensen et al.31. Copyright 2018 av American Physical Society. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Här når elektronrörligheten hos heterostrukturen γ-Al 2 O3 / SrTiO 3 ett värde som överstiger 100 000 cm 2 / Vs vid 2 K när γ-Al2O3 deponeras med en tjocklek av3,5 enhetsceller i ett syrepartialtryck av cirka 10-5 mbar. Höjning av partialtrycket eller avvikelse från γ-Al2O3-tjockleken resulterar i både en minskning av bärartätheten och elektronrörligheten med två storleksordningar.
Kontroll av egenskaper genom termisk glödgning
Syrehalten kan också kontrolleras med hjälp av ex situ termisk glödgning under oxiderande eller reducerande förhållanden. Här bestäms det slutliga tillståndet efter glödgning av tre parametrar: glödgningstiden, temperaturen och atmosfären. Ett exempel ges i figur 4a,b.
Figur 4: Kontrollera transportegenskaperna genom glödgning i syre. Normaliserad arkkonduktans (Gs) för heterostrukturerna (a) γ-Al2O3/SrTiO3 och (b) amorfa LaAlO3/SrTiO3 som en funktion av den tid under vilken proverna glödgas i 1 bar syre. c) Arkbärarens densitet (n s) som funktion av arkkonduktansen (Gs) mätt vid rumstemperatur efter det att två γ-Al2O3/SrTiO3-prov har glödgats i 1 bar syre vid ca 200 °C. De två proverna har syntetiserats med användning av en pulsad laseravsättning av γ-Al2O3på SrTiO3 med ett syrebakgrundstryck på 10-6 mbar och 10-5 mbar, vilket leder till olika initiala bärdensiteter efter deponeringen. Omtryckt figur med tillstånd från en studie av Christensen et al.23. Copyright 2017 av American Physical Society. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Här mäts arkkonduktansen för γ-Al2O 3 / SrTiO 3 och amorf-LaAlO 3 / SrTiO 3 heterostrukturer medan proverna glödgas i 1 bar syre vid olika temperaturer. Den snabbaste minskningen av konduktansen observeras för amorfa LaAlO3/SrTiO3-heterostrukturer, och det har visat sig att förintelsen av vakanser i SrTiO3 sker genom det 16 nm tjocka amorfaLaAlO3-skiktet 23. γ-Al2O3-filmen har dock visat sig fungera som ett blockerande skikt för syrediffusion, och syrevakanserna på SrTiO 3-sidan förintas genom syrediffusion genom SrTiO3, vilket leder till en mer termiskt motståndskraftig gränssnittsledningsförmåga 23. Bärartätheten hos heterostrukturerna kan kontrolleras genom att stoppa glödgningen i syre, såsom visas i figur 4c för heterostrukturen γ-Al2O 3/SrTiO3. I detta fall glödgas heterostrukturen i flera steg vid cirka 200 °C. Efter varje steg kyls heterostrukturen ner till rumstemperatur, där bärardensiteten mäts. Glödgningen resulterar i en kontrollerad minskning av bärardensiteten, liksom i en övergång från en metallisk ledning till ett isolerande gränssnitt.
Förändringen i ledningstillståndet för heterostrukturen γ-Al2O 3 / SrTiO3 kan användas för att möjliggöra olika egenskaper23. Figur 5 visar ett exempel.
Figur 5: Aktivera skrivning av ledande polymer Fyrsondmotstånd som en funktion av tiden som ledande nanolinjer försöker skrivas med hjälp av en ledande atomkraftmikroskopi (c-AFM) spets. Efter glödgning vid ca 150 °C i 3 timmar kan ledande linjer skrivas vid γ-Al 2 O 3/SrTiO3-gränssnittet genom att applicera en positiv bias på c-AFM-spetsen och skanna på γ-Al2O3-ytan. När den ledande linjen kommer i kontakt med två elektroder sjunker motståndet kraftigt. Applicering av en negativ förspänning och skanning över ledningslinjen leder till radering av polymeren. Omtryckt figur med tillstånd från en studie av Christensen et al.23. Copyright 2017 av American Physical Society. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Här kan ledande nanolinjer ritas med hjälp av ledande atomkraftmikroskopi (c-AFM) endast i ett högt resistivt tillstånd. Efter avsättningen av γ-Al 2O3 är heterostrukturen i ett lågt resistivt tillstånd, och ingen observerbar förändring inträffar när en c-AFM-spets med en positiv bias skannar på γ-Al2O3-ytan från en elektrod till en annan. Efter glödgning av heterostrukturen vid 150 °C i luft i 3 timmar kan emellertid ett högt resistivt tillstånd erhållas vid gränssnittet. När den positivt förspända spetsen skannas mellan elektroderna kan en ledande linje med en bredd på cirka 50 nm bildas vid det höga resistiva gränssnittet. När nanolinjen förbinder de två elektroderna observeras en kraftig minskning av motståndet, som tidigare rapporterats32,33. Nanolinjen kan därefter raderas genom att applicera en negativ bias på spetsen och skanna över nanolinjen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De metoder som beskrivs här bygger på att använda syrehalten för att kontrollera oxidegenskaperna, och syrepartialtrycket och driftstemperaturen är därför kritiska parametrar. Om systemets totala oxidationstillstånd är inställt på ett sätt där systemet förblir i en termodynamisk jämvikt med den omgivande atmosfären (dvs. förändratpO2 vid hög temperatur) kan förändringarna vara reversibla. I fallet med SrTiO3-baserade heterostrukturer bildas emellertid syrevakanser mellan ytor typiskt med pulsad laserdeponering, vilket kan fånga oxidationstillståndet i ett icke-jämviktstillstånd34. I detta fall är temperaturprofilen och syrepartialtrycket vid och efter deponeringen avgörande för de resulterande egenskaperna. Syrevakanser i SrTiO3 är vanligtvis instabila under omgivningsförhållanden22, och förändringar i syrehalten som induceras av glödgning är i allmänhet irreversibla.
Andra nackdelar är biverkningarna från förhöjd temperatur eller modifierad avsättning. Under förhöjd temperatur kan katjondiffusion till exempel uppstå. En signifikant katjoninterdiffusion har rapporterats under pulsad laserdeponering av olika oxider på SrTiO3 10,35,36. Kontroll av syrehalten görs vanligtvis genom att ändra syreavsättningstrycket. Under ett tryck på cirka 10-3 mbar påverkas plasmaplymen i den pulserade laseravsättningen knappast av bakgrundstrycket, och en förändring i oxidationstillståndet för SrTiO3 sker genom interaktioner med den omgivande atmosfären vid förhöjda temperaturer37. När trycket ökas från 10-3 till 10-1 mbar interagerar bakgrundsgasen med plasmaplymen, vilket resulterar i oxidering av plymen samt sänkning av den kinetiska energin hos plasmaarten37. Detta kan påverka nivån av katjoninterdiffusion eftersom den effektiva temperaturen vid SrTiO3-ytan sänks och plasmaarter anländer med lägre hastigheter. Argon stoppar plasmaradikalen ungefär lika effektivt som syre, och därmed kan biverkningarna av att ändra den kinetiska energin kringgås genom att fixera det totala avsättningstrycket men variera syrepartialtrycket med hjälp av en argon / syreblandning37. Vid glödgning kan katjondiffusion undvikas genom glödgning vid temperaturer som är tillräckligt höga för att tillåta syrediffusion men tillräckligt låga för att förhindra betydande katjondiffusion. Detta är fallet för SrTiO3-baserade heterostrukturer glödgade vid 100–350 °C som här beaktas23,36. Det bör dock noteras att katjondiffusion och variationer i defektkonfigurationen inducerad av deponering eller postannealing i vissa fall också kan vara ett önskvärt sätt att ställa in oxidegenskaperna.
De två olika metoderna för att ändra syrehalten skiljer sig från varandra på flera sätt. Med hjälp av tillväxtmetoden där de pulsade laserdeponeringsparametrarna varieras är det möjligt att erhålla tillstånd som antingen är termodynamiskt stabila eller termiskt släckta i ett icke-jämviktstillstånd34. Glödgningsmetoden driver provet mot termisk jämvikt vid de givna glödgningsförhållandena, men mellanliggande icke-jämviktstillstånd kan också erhållas. Glödgningsmetoden minimerar dessutom variationer från prov till prov eftersom egenskaperna kan ställas in i ett enda prov, medan olika prover med varierande egenskaper framställs enligt tillväxtmetoden. Å andra sidan kan det ursprungliga tillståndet gå förlorat efter glödgningsprocessen.
De två tillvägagångssätten skiljer sig också från elektrostatisk grind, som vanligtvis används för att ställa in i synnerhet bärartätheten hos slutna elektroniska system. Elektrostatisk grind drar nytta av en snabb och mångsidig förändring av de elektriska egenskaperna, som ofta kan göras på plats vid mätning av andra egenskaper. Det erhållna tillståndet är emellertid inte permanent, en signifikant hysteres kan observeras och intervallet i vilket bärardensiteten kan ställas in är begränsad (vanligtvis i storleksordningen mindre än 10-12 /cm2 för back-gating med ~ 100 V till 0,5 mm tjock SrTiO3)12,23,38,39 . Att styra egenskaperna genom att ställa in syrevakansinnehållet leder till ett (kvasi-)permanent tillstånd med stora förändringar i bärartätheten 10,23 och möjligheten att ändra egenskaper som inte nödvändigtvis påverkas av en förändring i densiteten hos ambulerande elektroner. Dessutom kan en kombination av grind- och glödgningsprocesserna utnyttja sina respektive fördelar för en exakt kontroll av gränssnittsegenskaperna.
Glödgningsmetoden är särskilt kompatibel med en rad ytterligare mätningar förutom de motståndsmätningar som beskrivs här. Dessa mätningar kan inkludera Hall, grind, optiska och magnetiska mätningar, som kan användas för att undersöka inställningen av olika egenskaper. Mätningarna inkluderar också de där trådåtkomst eller elektrostatisk grind är utmanande, såsom fotoemissionsexperiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna tackar J. Geyti från Danmarks Tekniska Universitet för hans tekniska hjälp. F. Trier får stöd genom forskningsanslag VKR023371 (SPINOX) från VILLUM FONDEN. D. V. Christensen erkänner stödet från Novo Nordisk Foundation NERD Programme: 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
- 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).
- Schütz, P., et al. Microscopic origin of the mobility enhancement at a spinel/perovskite oxide heterointerface revealed by photoemission spectroscopy. Physical Review B. 96, 161409 (2017).
- Choi, H., Song, J. D., Lee, K. -R., Kim, S. Correlated Visible-Light Absorption and Intrinsic Magnetism of SrTiO3 Due to Oxygen Deficiency: Bulk or Surface Effect. Inorganic Chemistry. 54 (8), 3759-3765 (2015).
- Frederikse, H. P. R., Hall Hosler, W. R.
- Schooley, J. F., Hosler, W. R., Cohen, M. L.
- Schooley, J. F., et al. Dependence of the Superconducting Transition Temperature on Carrier Concentration in Semiconducting SrTiO3. Physical Review Letters. 14 (9), 305-307 (1965).
- Coey, J. M. D., Venkatesan, M., Stamenov, P.
- Ohtomo, A., Hwang, H. Y. A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Nature. 427 (6973), 423-426 (2004).
- Thiel, S., Hammerl, G., Schmehl, A., Schneider, C. W., Mannhart, J. Tunable quasi-two-dimensional electron gases in oxide heterostructures. Science. 313 (5795), 1942-1945 (2006).
- Chen, Y. Z., et al. A high-mobility two-dimensional electron gas at the spinel/perovskite interface of γ-Al2O3/SrTiO3. Nature Communications. 4, 1371 (2013).
- Caviglia, A. D., et al. Electric field control of the LaAlO3/SrTiO3 interface ground state. Nature. 456 (7222), 624-627 (2008).
- Christensen, D. V., et al. Electric field control of the γ-Al2O3/SrTiO3 interface conductivity at room temperature. Applied Physics Letters. 109 (2), 021602 (2016).
- Chen, Y., et al. Creation of High Mobility Two-Dimensional Electron Gases via Strain Induced Polarization at an Otherwise Nonpolar Complex Oxide Interface. Nano Letters. 15 (3), 1849-1854 (2015).
- Bell, C., et al. Dominant Mobility Modulation by the Electric Field Effect at the LaAlO3/SrTiO3 Interface. Physical Review Letters. 103 (22), 226802 (2009).
- Niu, W., et al. Giant Tunability of the Two-Dimensional Electron Gas at the Interface of γ-Al2O3/SrTiO3. Nano Letters. 17, 6878 (2017).
- Cheng, G., et al.
- Bi, F., et al. Room-temperature electronically-controlled ferromagnetism at the LaAlO3/SrTiO3 interface. Nature Communications. 5, (2014).
- Chen, Y., et al. Metallic and Insulating Interfaces of Amorphous SrTiO3-Based Oxide Heterostructures. Nano Letters. 11 (9), 3774-3778 (2011).
- Chen, Y. Z., et al. On the origin of metallic conductivity at the interface of LaAlO3/SrTiO3. Applied Surface Science. 258 (23), 9242-9245 (2012).
- Trier, F., et al. Degradation of the interfacial conductivity in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures during storage at controlled environments. Solid State Ionics. 230, 12-15 (2013).
- Christensen, D. V., Smith, A.
- Gunkel, F., et al. Thermodynamic Ground States of Complex Oxide Heterointerfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (1), 1086-1092 (2017).
- Christensen, D. V., et al. Controlling the carrier density of SrTiO3-based heterostructures with annealing. Advanced Electronic Materials. 1700026. , (2017).
- Connell, J. G., Isaac, B. J., Ekanayake, G. B., Strachan, D. R., Seo, S. S. A. Preparation of atomically flat SrTiO3 surfaces using a deionized-water leaching and thermal annealing procedure. Applied Physics Letters. 101 (25), 251607-251607 (2012).
- Koster, G., Kropman, B. L., Rijnders, G. J., Blank, D. H., Rogalla, H. Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide. Applied Physics Letters. 73 (20), 2920-2922 (1998).
- Komiyama, M., Gu, M. Atomic force microscopy images of MgO (100) and TiO2 (110) under water and aqueous aromatic molecule solutions. Applied Surface Science. 120 (100), 125-128 (1997).
- Kawasaki, M., et al. Atomic control of the SrTiO3 crystal surface. Science. 266 (5190), 1540-1542 (1994).
- Chambers, S. A., Droubay, T. C., Capan, C., Sun, G. Y. Unintentional F doping of SrTiO3(001) etched in HF acid-structure and electronic properties. Surface Science. 606 (001), 554-558 (2012).
- vander Pauw, L. J. A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape. Philips Research Reports. 13, 1-9 (1958).
- Chen, Y. Z., et al. Room Temperature Formation of High-Mobility Two-Dimensional Electron Gases at Crystalline Complex Oxide Interfaces. Advanced Materials. 26, (2013).
- Christensen, D. V., et al.
- Cen, C., et al. Nanoscale control of an interfacial metal-insulator transition at room temperature. Nature Materials. 7 (4), 298-302 (2008).
- Cen, C., Thiel, S., Mannhart, J., Levy, J. Oxide Nanoelectronics on Demand. Science. 323 (5917), 1026-1030 (2009).
- Xu, C., et al. Disentanglement of growth dynamic and thermodynamic effects in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures. Scientific Reports. 6, 22410 (2016).
- Chambers, S. A. Understanding the mechanism of conductivity at the LaAlO3/SrTiO3(001) interface. Surface Science. 605 (001), 1133-1140 (2011).
- Nakagawa, N., Hwang, H. Y., Muller, D. A. Why some interfaces cannot be sharp. Nature Materials. 5 (3), 204-209 (2006).
- Sambri, A., et al. Plasma plume effects on the conductivity of amorphous-LaAlO3/SrTiO3 interfaces grown by pulsed laser deposition in O2. and Ar. Applied Physics Letters. 100 (23), 231605 (2012).
- Biscaras, J., et al. Limit of the electrostatic doping in two-dimensional electron gases. of LaXO3(X = Al, Ti)/SrTiO3. Scientific Reports. 4, 6788 (2014).
- Christensen, D. V., et al. Controlling interfacial states in amorphous/crystalline LaAlO3/SrTiO3 heterostructures by electric fields. Applied Physics Letters. 102 (2), 021602 (2013).
