כוונון תכונות תחמוצת על ידי בקרת חמצן פנוי במהלך צמיחה וחישול

השיטה המוצגת כאן מאפשרת לשלוט בכמות משרות החמצן הפנויות בשכבות דקות תחמוצת הן במהלך התצהיר והן לאחריו. ההתקדמות העיקרית של גישה זו היא כי תכונות חשמליות ומגנטיות ניתן לכוונן על ידי שינוי כמות משרות פנויות חמצן. משרות חמצן פנויות משמשות כפגמים פונקציונליים ברוב חומרי התחמוצת, ולכן ניתן לשלוט באופן שיטתי בתכונותיהן של תחמוצות רבות על ידי הנדסת פגמים בגישה זו.

את ההליך ידגימו שינהי, קרלוס ואריק, פוסט-דוקטורנט ושני דוקטורנטים מהמעבדה שלנו. כדי להתחיל, לרכוש מצעי סטרונציום טיטנאט מעורבים עם זווית פנים אופיינית של 0.05 עד 0.2 מעלות ביחס למישורים הגבישיים. נקה את המספר הרצוי של מצעים על ידי ultrasonication אצטון במשך חמש דקות.

לאחר מכן אולטרסאונד את המצע במשך 20 דקות ב 70 מעלות צלזיוס במים נקיים, אשר ממיס תחמוצת סטרונציום או יוצר מתחמי סטרונציום הידרוקסיד בתחומים פני השטח הסתיים עם תחמוצת סטרונציום, תוך השארת יציב מבחינה כימית, דו תחמוצת טיטניום סיים תחומים ללא שינוי. בינתיים, הכינו תמיסת אקווה רג’יה על ידי הוספה איטית של חומצה הידרוכלורית למים ולאחר מכן הוספת חומצה חנקתית לתמיסה. לאחר מכן, אולטרסאונד את המצע בתמיסה חומצית המכילה חומצה הידרוכלורית, חומצה חנקתית, ומים ב 70 מעלות צלזיוס במשך 20 דקות במכסה אדים כדי לחרוט באופן סלקטיבי תחמוצת סטרונציום בשל הטבע הבסיסי של תחומי פני השטח של תחמוצת סטרונציום, החומציות של דו תחמוצת טיטניום, ואת נוכחותם של מתחמי סטרונציום הידרוקסיד.

הסר את שאריות החומצה מן המצע על ידי ultrasonication ב 100 מיליליטר של מים נקיים במשך חמש דקות בטמפרטורת החדר במכסה אדים. לאחר מכן אופים את המצע באטמוספירה של בר חמצן אחד למשך שעה אחת ב -1, 000 מעלות צלזיוס עם קצב חימום וקירור של 100 מעלות צלזיוס לשעה בכבשן צינור קרמי כדי להרפות את משטח המצע למצב עם אנרגיה נמוכה. כדי להפקיד סרט דק על המצע, הרכיבו את המצעים על תנור חימום או מוביל שבבים, תלוי אם יש לבצע מדידות הובלה NC2 במהלך התצהיר.

לאחר מכן, הניחו את המצע המסתיים של טיטניום דו-חמצני במרחק של 4.7 סנטימטרים מיעד האלומינה הגבישי היחיד לשיקוע טיפוסי של גמא אלומינה על סטרונציום טיטנאט בטמפרטורת החדר. התכוננו לפליטה ממטרת אלומינה גבישית יחידה בלחץ חמצן של 10 להספק מינוס חמישה מיליבר. כוונן את המאפיינים באמצעות תכולת החמצן באמצעות לחץ שקיעת חמצן בטווח של 10 להספק מינוס שישה עד 0.1 מיליבר, או על ידי פרמטרים משתנים אחרים של שקיעה.

לאחר הדגירה, לבחון את המצע עבור העובי הרצוי של תצהיר גמא אלומינה. לאחר מכן, הסר את הדגימה מתא התצהיר ועצור את כל המדידות החשמליות. לאחר מכן אחסן את הדגימה בוואקום.

התפרקות הדגימה היא האיטית ביותר כאשר היא מאוחסנת בוואקום או בחנקן. הר את הדגימה על מוביל שבב באמצעות הדבק כסף. לאחר מכן חבר חשמלית את הדגימה למוביל השבב באמצעות חיבור חוטי טריז של חוטי אלומיניום בגיאומטריה של ואן דר פאו.

לאחר מכן, מניחים את המוביל שבב עם המדגם בכבשן סגור. לאחר מכן באמצעות מחבר וחוטים עם בידוד עמיד תרמית, חבר חשמלית את מוביל השבב לציוד המדידה, והתחל את מדידות התנגדות הגיליון. לאחר מכן הניחו את מוביל השבבים המצויד בדגימה בכבשן סגור ושטפו היטב את הגז המשמש לחישול תוך בדיקה אם התנגדות הדגימה רגישה לשינוי באטמוספירה.

אניש את הדגימה באמצעות פרופיל החישול הרצוי, בהתאם לעובי הסרט העליון וקצב שילוב החמצן הרצוי. בטל את החישול כאשר חל שינוי רצוי בהתנגדות היריעה. באמצעות מערך זה, ניתן לנטר באתרו את התפתחות התנגדות היריעות במבנים הטרו-קונסטרוקטיביים של תחמוצת כגון גמא אלומינה סטרונציום טיטנאט ולנתנום אלומינייט סטרונציום טיטנאט במהלך שיקוע לייזר פועם.

כאשר סביבת המדידה משתנה על ידי מדידה ex-situ או באמצעות שטיפת חמצן באתר, ניתן להבחין בשינויים משמעותיים בהתנגדות היריעה של הטרומבנים מבוססי סטרונציום טיטנאט. בדגימות שבהן גמא אלומינה שוקעת על סטרונציום טיטנאט, ניידות האלקטרונים נשארת במידה רבה ללא שינוי בטמפרטורת החדר, אך משתנה באופן דרמטי בשני קלווין כאשר לחץ השקיעה משתנה. המאפיינים של heterostructures תחמוצת ניתן גם לכוונן לאחר תצהיר באמצעות חישול.

המצב הסופי נקבע על ידי זמן החישול וטמפרטורת החישול והאטמוספירה. מוליכי היריעה של מבנים הטרו-קונציאליים המורכבים מסטרונציום טיטנאט עם גמא אלומינה או לנתנום אלומינייט אמורפי נמדדים בטמפרטורות חישול שונות. הירידה המהירה ביותר במוליכות נצפתה עבור הטרומבנים האמורפיים lanthanum aluminate strontium titanate.

עבור הטרו-מבנים של סטרונציום טיטנאט, צפיפות המוביל נשלטת על ידי שליטה על החישול והחמצן. שלבי חישול רצופים גורמים לירידה מתמדת בצפיפות הנשא ולמעבר ממוליך מתכתי לממשק בידוד. שינוי המצב המוליך במבנה ההטרוסטרונטי טיטנאט יכול לאפשר תכונות שונות.

כאן, ניסיונות לכתוב ננו-חוטים באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך לא היו אפשריים לפני החישול. עם זאת, לאחר החישול, ניתן לכתוב ולמחוק שורות מוליכות בממשק. באמצעות גישה זו, אנו יכולים לשנות באופן שיטתי את התכונות המגנטיות והאלקטרוניות של הטרומבנים תחמוצת, ובדרך זו, ללמוד את התפקיד של משרות פנויות חמצן בקביעת תכונות אלה.