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.
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.
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).
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 ty…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |