Name: tuning oxide properties by oxygen vacancy control during growth and annealing
Uploaded: 2023-06-09T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing at JoVE.com

غيتي من الجامعة التقنية في الدانمرك على مساعدته التقنية. يقر F. Trier بالدعم المقدم من منحة البحث VKR023371 (SPINOX) من VILLUM FONDEN. يعترف D. V. Christensen بدعم برنامج NERD لمؤسسة نوفو نورديسك: البحث والاكتشاف الاستكشافي الجديد ، المنحة المتفوقة NNF21OC0068015.

1. التحكم في الخصائص من خلال ظروف النمو المختلفة
<ol><li>تحضير الأسطح عالية الجودة ل SrTiO3
	<ol><li>قم بشراء ركائز SrTiO3 المختلطة المنتهية (على سبيل المثال ، بحجم 5 مم × 5 مم × 0.5 مم) بزاوية سطح نموذجية من 0.05 درجة إلى 0.2 درجة فيما يتعلق بالمستويات البلورية (001). ملاحظة: تحدد زاوية الق?...

<ol>
	<li>Pavlenko, N., Kopp, T., Tsymbal, E. Y., Sawatzky, G. A., Mannhart, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+and+superconducting+phases+at+the+LaAlO3/SrTiO3+interface:+The+role+of+interfacial+Ti+3d+electrons.">Magnetic and superconducting phases at the LaAlO3/SrTiO3 interface: The role of interfacial Ti 3d electrons.</a> Physical Review B. 85 (2), 020407 (2012).</li><li>Sch&#252;tz, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscopic+origin+of+the+mobility+enhancement+at+a+spinel/perovskite+oxide+heterointerface+revealed+by+photoemission+spectroscopy.">Microscopic origin of the mobility enhancement at a spinel/perovskite oxide heterointerface revealed by photoemission spectroscopy.</a> Physical Review B. 96, 161409 (2017).</li><li>Choi, H., Song, J. D., Lee, K. -. R., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlated+Visible-Light+Absorption+and+Intrinsic+Magnetism+of+SrTiO3+Due+to+Oxygen+Deficiency:+Bulk+or+Surface+Effect.">Correlated Visible-Light Absorption and Intrinsic Magnetism of SrTiO3 Due to Oxygen Deficiency: Bulk or Surface Effect.</a> Inorganic Chemistry. 54 (8), 3759-3765 (2015).</li><li>Frederikse, H. P. R., Hall Hosler, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mobility+in+SrTiO3.">Mobility in SrTiO3.</a> Physical Review. 161 (3), (1967).</li><li>Schooley, J. F., Hosler, W. R., Cohen, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superconductivity+in+Semiconducting+SrTiO3.">Superconductivity in Semiconducting SrTiO3.</a> Physical Review Letters. 12 (17), 474-475 (1964).</li><li>Schooley, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dependence+of+the+Superconducting+Transition+Temperature+on+Carrier+Concentration+in+Semiconducting+SrTiO3.">Dependence of the Superconducting Transition Temperature on Carrier Concentration in Semiconducting SrTiO3.</a> Physical Review Letters. 14 (9), 305-307 (1965).</li><li>Coey, J. M. D., Venkatesan, M., Stamenov, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+magnetism+of+strontium+titanate.">Surface magnetism of strontium titanate.</a> Journal of Physics: Condensed Matter. 28 (48), 485001 (2016).</li><li>Ohtomo, A., Hwang, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-mobility+electron+gas+at+the+LaAlO3/SrTiO3+heterointerface.">A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface.</a> Nature. 427 (6973), 423-426 (2004).</li><li>Thiel, S., Hammerl, G., Schmehl, A., Schneider, C. W., Mannhart, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+quasi-two-dimensional+electron+gases+in+oxide+heterostructures.">Tunable quasi-two-dimensional electron gases in oxide heterostructures.</a> Science. 313 (5795), 1942-1945 (2006).</li><li>Chen, Y. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-mobility+two-dimensional+electron+gas+at+the+spinel/perovskite+interface+of+&#947;-Al2O3/SrTiO3.">A high-mobility two-dimensional electron gas at the spinel/perovskite interface of &#947;-Al2O3/SrTiO3.</a> Nature Communications. 4, 1371 (2013).</li><li>Caviglia, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field+control+of+the+LaAlO3/SrTiO3+interface+ground+state.">Electric field control of the LaAlO3/SrTiO3 interface ground state.</a> Nature. 456 (7222), 624-627 (2008).</li><li>Christensen, D. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field+control+of+the+&#947;-Al2O3/SrTiO3+interface+conductivity+at+room+temperature.">Electric field control of the &#947;-Al2O3/SrTiO3 interface conductivity at room temperature.</a> Applied Physics Letters. 109 (2), 021602 (2016).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creation+of+High+Mobility+Two-Dimensional+Electron+Gases+via+Strain+Induced+Polarization+at+an+Otherwise+Nonpolar+Complex+Oxide+Interface.">Creation of High Mobility Two-Dimensional Electron Gases via Strain Induced Polarization at an Otherwise Nonpolar Complex Oxide Interface.</a> Nano Letters. 15 (3), 1849-1854 (2015).</li><li>Bell, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dominant+Mobility+Modulation+by+the+Electric+Field+Effect+at+the+LaAlO3/SrTiO3+Interface.">Dominant Mobility Modulation by the Electric Field Effect at the LaAlO3/SrTiO3 Interface.</a> Physical Review Letters. 103 (22), 226802 (2009).</li><li>Niu, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Giant+Tunability+of+the+Two-Dimensional+Electron+Gas+at+the+Interface+of+&#947;-Al2O3/SrTiO3.">Giant Tunability of the Two-Dimensional Electron Gas at the Interface of &#947;-Al2O3/SrTiO3.</a> Nano Letters. 17, 6878 (2017).</li><li>Cheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+pairing+without+superconductivity.">Electron pairing without superconductivity.</a> Nature. 521 (7551), 196-199 (2015).</li><li>Bi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Room-temperature+electronically-controlled+ferromagnetism+at+the+LaAlO3/SrTiO3+interface.">Room-temperature electronically-controlled ferromagnetism at the LaAlO3/SrTiO3 interface.</a> Nature Communications. 5, (2014).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metallic+and+Insulating+Interfaces+of+Amorphous+SrTiO3-Based+Oxide+Heterostructures.">Metallic and Insulating Interfaces of Amorphous SrTiO3-Based Oxide Heterostructures.</a> Nano Letters. 11 (9), 3774-3778 (2011).</li><li>Chen, Y. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+origin+of+metallic+conductivity+at+the+interface+of+LaAlO3/SrTiO3.">On the origin of metallic conductivity at the interface of LaAlO3/SrTiO3.</a> Applied Surface Science. 258 (23), 9242-9245 (2012).</li><li>Trier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Degradation+of+the+interfacial+conductivity+in+LaAlO3/SrTiO3+heterostructures+during+storage+at+controlled+environments.">Degradation of the interfacial conductivity in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures during storage at controlled environments.</a> Solid State Ionics. 230, 12-15 (2013).</li><li>Christensen, D. V., Smith, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Is+&#947;-Al2O3+polar.">Is &#947;-Al2O3 polar.</a> Applied Surface Science. , 887-890 (2017).</li><li>Gunkel, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermodynamic+Ground+States+of+Complex+Oxide+Heterointerfaces.">Thermodynamic Ground States of Complex Oxide Heterointerfaces.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 9 (1), 1086-1092 (2017).</li><li>Christensen, D. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+the+carrier+density+of+SrTiO3-based+heterostructures+with+annealing.">Controlling the carrier density of SrTiO3-based heterostructures with annealing.</a> Advanced Electronic Materials. 1700026. , (2017).</li><li>Connell, J. G., Isaac, B. J., Ekanayake, G. B., Strachan, D. R., Seo, S. S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+atomically+flat+SrTiO3+surfaces+using+a+deionized-water+leaching+and+thermal+annealing+procedure.">Preparation of atomically flat SrTiO3 surfaces using a deionized-water leaching and thermal annealing procedure.</a> Applied Physics Letters. 101 (25), 251607-251607 (2012).</li><li>Koster, G., Kropman, B. L., Rijnders, G. J., Blank, D. H., Rogalla, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quasi-ideal+strontium+titanate+crystal+surfaces+through+formation+of+strontium+hydroxide.">Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide.</a> Applied Physics Letters. 73 (20), 2920-2922 (1998).</li><li>Komiyama, M., Gu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+force+microscopy+images+of+MgO+(100)+and+TiO2+(110)+under+water+and+aqueous+aromatic+molecule+solutions.">Atomic force microscopy images of MgO (100) and TiO2 (110) under water and aqueous aromatic molecule solutions.</a> Applied Surface Science. 120 (100), 125-128 (1997).</li><li>Kawasaki, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+control+of+the+SrTiO3+crystal+surface.">Atomic control of the SrTiO3 crystal surface.</a> Science. 266 (5190), 1540-1542 (1994).</li><li>Chambers, S. A., Droubay, T. C., Capan, C., Sun, G. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unintentional+F+doping+of+SrTiO3(001)+etched+in+HF+acid-structure+and+electronic+properties.">Unintentional F doping of SrTiO3(001) etched in HF acid-structure and electronic properties.</a> Surface Science. 606 (001), 554-558 (2012).</li><li>vander Pauw, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+method+of+measuring+specific+resistivity+and+Hall+effect+of+discs+of+arbitrary+shape.">A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape.</a> Philips Research Reports. 13, 1-9 (1958).</li><li>Chen, Y. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Room+Temperature+Formation+of+High-Mobility+Two-Dimensional+Electron+Gases+at+Crystalline+Complex+Oxide+Interfaces.">Room Temperature Formation of High-Mobility Two-Dimensional Electron Gases at Crystalline Complex Oxide Interfaces.</a> Advanced Materials. 26, (2013).</li><li>Christensen, D. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+Mobility+in+&#947;-Al2O3/SrTiO3.">Electron Mobility in &#947;-Al2O3/SrTiO3.</a> Physical Review Applied. 9 (5), 054004 (2018).</li><li>Cen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+control+of+an+interfacial+metal-insulator+transition+at+room+temperature.">Nanoscale control of an interfacial metal-insulator transition at room temperature.</a> Nature Materials. 7 (4), 298-302 (2008).</li><li>Cen, C., Thiel, S., Mannhart, J., Levy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Oxide Nanoelectronics on Demand. Science. 323 (5917), 1026-1030 (2009).</li><li>Xu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disentanglement+of+growth+dynamic+and+thermodynamic+effects+in+LaAlO3/SrTiO3+heterostructures.">Disentanglement of growth dynamic and thermodynamic effects in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures.</a> Scientific Reports. 6, 22410 (2016).</li><li>Chambers, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+the+mechanism+of+conductivity+at+the+LaAlO3/SrTiO3(001)+interface.">Understanding the mechanism of conductivity at the LaAlO3/SrTiO3(001) interface.</a> Surface Science. 605 (001), 1133-1140 (2011).</li><li>Nakagawa, N., Hwang, H. Y., Muller, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Why+some+interfaces+cannot+be+sharp.">Why some interfaces cannot be sharp.</a> Nature Materials. 5 (3), 204-209 (2006).</li><li>Sambri, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+plume+effects+on+the+conductivity+of+amorphous-LaAlO3/SrTiO3+interfaces+grown+by+pulsed+laser+deposition+in+O2.">Plasma plume effects on the conductivity of amorphous-LaAlO3/SrTiO3 interfaces grown by pulsed laser deposition in O2.</a> and Ar. Applied Physics Letters. 100 (23), 231605 (2012).</li><li>Biscaras, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Limit+of+the+electrostatic+doping+in+two-dimensional+electron+gases.">Limit of the electrostatic doping in two-dimensional electron gases.</a> of LaXO3(X = Al, Ti)/SrTiO3. Scientific Reports. 4, 6788 (2014).</li><li>Christensen, D. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+interfacial+states+in+amorphous/crystalline+LaAlO3/SrTiO3+heterostructures+by+electric+fields.">Controlling interfacial states in amorphous/crystalline LaAlO3/SrTiO3 heterostructures by electric fields.</a> Applied Physics Letters. 102 (2), 021602 (2013).</li></ol>

تعتمد الطرق الموضحة هنا على استخدام محتوى الأكسجين للتحكم في خصائص الأكسيد ، وبالتالي فإن الضغط الجزئي للأكسجين ودرجة حرارة التشغيل هما معلمتان حاسمتان. إذا تم ضبط حالة الأكسدة الكلية للنظام بطريقة يظل فيها النظام في توازن ديناميكي حراري مع الغلاف الجوي المحيط (أي تغيير pO2 عند درجة ...

يلعب محتوى الأكسجين دورا حيويا في خصائص مواد الأكسيد. الأكسجين له سالبية كهربية عالية، وفي الحد الأيوني الكامل، يجذب إلكترونين من الكاتيونات المجاورة. يتم التبرع بهذه الإلكترونات للشبكة عند تكوين شاغر أكسجين. يمكن أن تكون الإلكترونات محاصرة وتكون حالة موضعية ، أو يمكن أن تصبح غير متمركزة وقادرة على إجراء تيار شحنة. تقع الحالات الموضعية عادة في فجوة النطاق بين نطاق التكافؤ والتوصيل مع زخم زاوي إجمالي يمكن أن يكون غير صفري1،2،3. وبالتالي ، يمكن للحالات الموضعية أن تشكل لحظات مغناطيسية موضعية ولها تأثير كبير ، على سبيل المثال ، على الخصائص البصرية والمغناطيسية1،2،3. إذا أصبحت الإلكترونات غير متمركزة ، فإنها تساهم في كثافة حاملات الشحنة المتجولة. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم تشكيل شاغر أكسجين أو عيوب أخرى ، فإن الشبكة تتكيف مع العيب. وبالتالي ، يمكن أن يؤدي وجود العيوب بشكل طبيعي إلى حقول الإجهاد المحلية ، وكسر التماثل ، والنقل الإلكتروني والأيوني المعدل في الأكاسيد.
لذلك ، غالبا ما يكون التحكم في القياس الكيميائي للأكسجين أمرا أساسيا لضبط ، على سبيل المثال ، الخصائص البصرية والمغناطيسية والنقل لمواد الأكسيد. ومن الأمثلة البارزة على ذلك الهياكل غير المتجانسة القائمة على SrTiO3 و SrTiO3 ، حيث تكون الحالة الأرضية لأنظمة المواد حساسة للغاية لمحتوى الأكسجين. Undoped SrTiO3 هو عازل غير مغناطيسي مع فجوة نطاق 3.2 فولت. ومع ذلك ، من خلال إدخال وظائف الأكسجين الشاغرة ، يغير SrTiO3 الحالة من العزل إلى الموصل المعدني مع حركة إلكترونية تتجاوز 10000 سم 2 / Vs عند2 K4. في درجات الحرارة المنخفضة (T < 450 mK) ، قد تكون الموصلية الفائقة هي الحالة الأرضية المفضلة 5,6. كما تم العثور على شواغر الأكسجين في SrTiO3 لجعلها مغناطيسيةحديدية 7 وتؤدي إلى انتقال بصري في الطيف المرئي من شفاف إلى معتم2. لأكثر من عقد من الزمان ، كان هناك اهتمام كبير بإيداع أكاسيد مختلفة ، مثل LaAlO 3 و CaZrO 3 و γ-Al 2O 3 ، على SrTiO 3 وفحص الخصائص الناشئة في الواجهة8،9،10،11،12،13 . في بعض الحالات ، اتضح أن خصائص الواجهة تختلف بشكل ملحوظ عن تلك التي لوحظت في المواد الأصلية. من النتائج المهمة للهياكل غير المتجانسة المستندة إلى SrTiO3 أنه يمكن حصر الإلكترونات في الواجهة ، مما يجعل من الممكن التحكم في الخصائص المتعلقة بكثافة الإلكترونات المتجولة باستخدام البوابة الكهروستاتيكية. بهذه الطريقة ، يصبح من الممكن ضبط ، على سبيل المثال ، حركة الإلكترون 14,15 ، الموصلية الفائقة 11 ، اقتران الإلكترون 16 ، والحالة المغناطيسية 17 للواجهة ، باستخدام المجالات الكهربائية.
يتيح تشكيل الواجهة أيضا التحكم في كيمياء SrTiO 3 ، حيث يمكن استخدام ترسب الفيلم العلوي على SrTiO3 للحث على تفاعل الأكسدة والاختزال عبر الواجهة18,19. إذا تم ترسيب فيلم أكسيد ذو تقارب أكسجين عالي على SrTiO 3 ، يمكن أن ينتقل الأكسجين من الأجزاء القريبة من السطح من SrTiO 3 إلى الفيلم العلوي ، وبالتالي تقليل SrTiO3 وأكسدة الفيلم العلوي (انظر الشكل 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig01v2.jpg"> الشكل 1: تشكيل شواغر الأكسجين في SrTiO3. رسم تخطيطي لكيفية تكوين شواغر الأكسجين والإلكترونات في المنطقة القريبة من الواجهة في SrTiO3 أثناء ترسب طبقة رقيقة ذات تقارب أكسجين عالي. أعيد طبع الشكل بإذن من دراسة أجراها Chen et al.18. حقوق الطبع والنشر 2011 من قبل الجمعية الكيميائية الأمريكية. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58737/58737fig1large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
في هذه الحالة ، يتم تشكيل شواغر الأكسجين والإلكترونات بالقرب من الواجهة. من المتوقع أن تكون هذه العملية هي أصل الموصلية التي تشكلت أثناء الترسب عند السطح البيني بين SrTiO 3 والأغشية أو الأكاسيد المعدنية المزروعة في درجة حرارة الغرفة مثل LaAlO 3 18,20 غير المتبلور أو γ-Al2O 310،21،22،23. وبالتالي ، فإن خصائص هذه الواجهات المستندة إلى SrTiO3 حساسة للغاية لمحتوى الأكسجين في الواجهة.
هنا ، نبلغ عن استخدام التلدين بعد الترسيب والاختلافات في معلمات ترسيب الليزر النبضي للتحكم في الخصائص في مواد الأكسيد عن طريق ضبط محتوى الأكسجين. نستخدم γ-Al2O 3 أو LaAlO3 غير المتبلور المترسب على SrTiO3 في درجة حرارة الغرفة كأمثلة على كيفية تغيير كثافة الناقل وحركة الإلكترون ومقاومة الصفيحة بأوامر من الحجم عن طريق التحكم في عدد الأكسجين الشاغر. تقدم الطرق بعض الفوائد بخلاف تلك التي تم الحصول عليها باستخدام البوابات الكهروستاتيكية ، والتي تستخدم عادة لضبط الخصائصالكهربائية 9،11،14 وفي بعض الحالات الخصائص المغناطيسية15،17. وتشمل هذه الفوائد تشكيل حالة نهائية (شبه) مستقرة وتجنب استخدام المجالات الكهربائية ، الأمر الذي يتطلب ملامسة كهربائية للعينة وقد يسبب آثارا جانبية.
في ما يلي ، نستعرض الأساليب العامة لضبط خصائص الأكاسيد عن طريق التحكم في محتوى الأكسجين. يتم ذلك بطريقتين ، وهما 1) عن طريق تغيير ظروف النمو عند تصنيع مواد الأكسيد ، و 2) عن طريق تلدين مواد الأكسيد في الأكسجين. يمكن تطبيق الأساليب لضبط مجموعة من الخصائص في العديد من مواد الأكسيد وبعض مواد أول أكسيد. نقدم مثالا ملموسا حول كيفية ضبط كثافة الناقل في واجهة الهياكل غير المتجانسة القائمة على SrTiO3. تأكد من ممارسة مستوى عال من النظافة لتجنب تلوث العينات (على سبيل المثال ، باستخدام القفازات والأفران الأنبوبية المخصصة ل SrTiO3 والملاقط غير المغناطيسية / المقاومة للأحماض).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1260px;" width="1260">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SrTiO3</td>
			<td style="width:264px;">Crystec</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td style="width:516px;">Single crystalline (001) oriented, 0.05-0.2 degree miscut angle</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">LaAlO3</td>
			<td style="width:264px;">Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd.</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td>Single crystalline</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Al2O3</td>
			<td style="width:264px;">Shanghai Daheng Optics and Fine Mechanics Co.Ltd.</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td>Single crystalline</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Chemicals and gases</td>
			<td style="width:264px;">Standard suppliers</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Silver paste</td>
			<td style="width:264px;">SPI Supplies, Structure Probe Inc</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td>05001-AB, High purity silver paint</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ultrasonicator</td>
			<td style="width:264px;">VWR</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td>USC500D HF45kHz/100W</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Wedge wire bonder</td>
			<td style="width:264px;">Shenzhen Baixiangyuan Science &#38; Technology Co.,Ltd.</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td>HS-853A Aluminum wire bonder</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Pulsed laser deposition</td>
			<td style="width:264px;">Twente Solid State Technologies (TSST)</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td style="width:516px;">PLD from TSST with software version V3.0.29, equipped with a 248 nm KrF 
			nanosecond laser (Compex Pro 205 F) from Coherent</td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:216px;">Resistance measurement setup</td>
			<td style="width:264px;">Custom made</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td style="width:516px;">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</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:216px;">Hall measurements</td>
			<td style="width:264px;">Cryogenics</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td style="width:516px;">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</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Furnace</td>
			<td style="width:264px;">Custom made</td>
			<td style="width:264px;"></td>
			<td style="width:516px;">Custom written software control of a FTTF 500/70 tube furnace from Scandia Ovnen AS and a eurotherm 2216e temperature controller</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tuning oxide properties by oxygen vacancy control during growth and annealing

غالبا ما يمكن التحكم في الخواص الكهربائية والبصرية والمغناطيسية لمواد الأكسيد عن طريق تغيير محتوى الأكسجين. نحدد هنا طريقتين لتغيير محتوى الأكسجين ونقدم أمثلة ملموسة لضبط الخواص الكهربائية للهياكل غير المتجانسة القائمة على SrTiO3. في النهج الأول ، يتم التحكم في محتوى الأكسجين عن طريق تغيير معلمات الترسيب أثناء ترسيب الليزر النبضي. في الطريقة الثانية ، يتم ضبط محتوى الأكسجين عن طريق إخضاع العينات للتلدين في الأكسجين عند درجات حرارة مرتفعة بعد نمو الفيلم. يمكن استخدام الأساليب لمجموعة واسعة من الأكاسيد والمواد غير الأكسدة حيث تكون الخصائص حساسة للتغير في حالة الأكسدة.
تختلف الأساليب اختلافا كبيرا عن البوابات الكهروستاتيكية ، والتي غالبا ما تستخدم لتغيير الخصائص الإلكترونية للأنظمة الإلكترونية المحصورة مثل تلك التي لوحظت في الهياكل غير المتجانسة القائمة على SrTiO3. من خلال التحكم في تركيز شغور الأكسجين ، يمكننا التحكم في كثافة الناقل على العديد من أوامر الحجم ، حتى في الأنظمة الإلكترونية غير المحصورة. علاوة على ذلك ، يمكن التحكم في الخصائص ، والتي ليست حساسة لكثافة الإلكترونات المتجولة.

التحكم في الخصائص من خلال ظروف النمو المختلفة يمكن أن يؤدي تغيير معلمات الترسيب أثناء ترسب الأكاسيد إلى تغيير كبير في الخصائص ، خاصة بالنسبة للهياكل غير المتجانسة القائمة على SrTiO3 ، كما هو موضح في الشكل 2.
<...

Watch this Scientific Journal Video about Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing at JoVE.com

Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

تظهر مواد الأكسيد العديد من الخصائص الغريبة التي يمكن التحكم فيها عن طريق ضبط محتوى الأكسجين. هنا ، نوضح ضبط محتوى الأكسجين في الأكاسيد عن طريق تغيير معلمات ترسيب الليزر النبضي وعن طريق إجراء ما بعد التلوين. على سبيل المثال ، يتم ضبط الخصائص الإلكترونية للهياكل غير المتجانسة القائمة على SrTiO3 عن طريق تعديلات النمو والتلدين.

ضبط خصائص أكسيد عن طريق التحكم في شغور الأكسجين أثناء النمو والتلدين

Electrical, optical, and magnetic properties of oxide materials can often be controlled by varying the oxygen content. Here we outline two approaches for ...

تسمح الطريقة المعروضة هنا بالتحكم في كمية الأكسجين الشاغرة في أغشية أكسيد رقيقة أثناء وبعد الترسيب. التقدم الرئيسي لهذا النهج هو أنه يمكن ضبط الخواص الكهربائية والمغناطيسية عن طريق تعديل كمية الأكسجين الشاغرة. تعمل شواغر الأكسجين كعيوب وظيفية في معظم مواد الأكسيد ، وبالتالي يمكن التحكم في خصائص العديد من الأكاسيد بشكل منهجي عن طريق هندسة العيوب باستخدام هذا النهج.سيوضح الإجراء شينهي وكارلوس وإريك ، وهو طالب ما بعد الدكتوراه وطالبان دكتوراه من مختبرنا. للبدء ، قم بشراء ركائز تيتانات السترونتيوم المختلطة ذات زاوية سطح نموذجية من 0.05 إلى 0.2 درجة فيما يتعلق بالطائرات البلورية. تنظيف العدد المطلوب من ركائز عن طريق الموجات فوق الصوتية في الأسيتون لمدة خمس دقائق.ثم قم بالموجات فوق الصوتية للركائز لمدة 20 دقيقة عند 70 درجة مئوية في الماء النظيف ، مما يذوب أكسيد السترونتيوم أو يشكل مجمعات هيدروكسيد السترونتيوم في المجالات السطحية المنتهية بأكسيد السترونتيوم ، مع ترك المجالات المستقرة كيميائيا وثاني أكسيد التيتانيوم دون تغيير. في غضون ذلك ، قم بإعداد محلول ريجيا المائي عن طريق إضافة حمض الهيدروكلوريك ببطء إلى الماء ثم إضافة حمض النيتريك إلى المحلول. بعد ذلك ، قم بالموجات فوق الصوتية للركائز في محلول حمضي يحتوي على حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك والماء عند 70 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة في غطاء دخان لحفر أكسيد السترونتيوم بشكل انتقائي بسبب الطبيعة الأساسية لمجالات سطح أكسيد السترونتيوم ، وحموضة ثاني أكسيد التيتانيوم ، ووجود مجمعات هيدروكسيد السترونتيوم.إزالة الحمض المتبقي من ركائز عن طريق الموجات فوق الصوتية في 100 ملليلتر من الماء النظيف لمدة خمس دقائق في درجة حرارة الغرفة في غطاء الدخان. ثم اخبز الركائز في جو من شريط واحد من الأكسجين لمدة ساعة واحدة عند 1،000 درجة مئوية بمعدل تسخين وتبريد 100 درجة مئوية في الساعة في فرن أنبوب خزفي لإرخاء سطح الركيزة إلى حالة ذات طاقة منخفضة. لإيداع طبقة رقيقة على الركائز ، قم بتركيب الركائز على سخان أو حامل رقاقة ، اعتمادا على ما إذا كان سيتم إجراء قياسات نقل NC2 أثناء الترسيب.بعد ذلك ، ضع الركيزة المنتهية بثاني أكسيد التيتانيوم على بعد 4.7 سم من هدف الألومينا البلوري الأحادي للترسب النموذجي لألومينا جاما على تيتانات السترونتيوم في درجة حرارة الغرفة. استعد للتوقف من هدف ألومينا بلوري واحد في ضغط أكسجين مقداره 10 أس سالب خمسة ملليبار. اضبط الخصائص باستخدام محتوى الأكسجين باستخدام ضغط ترسيب الأكسجين في نطاق 10 إلى الطاقة ناقص ستة إلى 0.1 مليبار ، أو عن طريق تغيير معلمات الترسيب الأخرى.بعد الحضانة ، لاحظ الركيزة للسمك المطلوب لترسب جاما الألومينا. بعد ذلك ، أخرج العينة من غرفة الترسيب ، وأوقف أي قياسات كهربائية. ثم قم بتخزين العينة في فراغ.يكون تحلل العينة أبطأ عند تخزينه في فراغ أو نيتروجين. قم بتركيب العينة على حامل رقائق باستخدام عجينة الفضة. ثم قم بتوصيل العينة كهربائيا بحامل الرقاقة باستخدام ربط الأسلاك الإسفينية لأسلاك الألمنيوم في هندسة Van der Pauw.بعد ذلك ، ضع حامل الرقاقة مع العينة في فرن مغلق. ثم باستخدام موصل وأسلاك ذات عزل مقاوم للحرارة ، قم بتوصيل حامل الرقاقة كهربائيا بمعدات القياس ، وابدأ قياسات مقاومة الصفيحة. ثم ضع حامل الرقاقة المجهز بالعينة في فرن مغلق واغسله جيدا بالغاز المستخدم في التلدين أثناء التحقق مما إذا كانت مقاومة العينة حساسة للتغير في الغلاف الجوي.قم بتلدين العينة باستخدام ملف تعريف التلدين المطلوب ، اعتمادا على سمك الفيلم العلوي والمعدل المطلوب لدمج الأكسجين. إجهاض التلدين عند حدوث التغيير المطلوب في مقاومة الصفيحة. باستخدام هذا الإعداد ، يمكن مراقبة تطور مقاومة الصفيحة في الهياكل غير المتجانسة للأكسيد مثل تيتانات السترونتيوم جاما الألومينا واللانثانوم ألومينات السترونتيوم في الموقع أثناء ترسيب الليزر النبضي.عندما يتم تغيير بيئة القياس عن طريق القياس خارج الموقع أو عن طريق تدفق الأكسجين في الموقع ، يمكن ملاحظة تغييرات كبيرة في مقاومة الصفيحة للهياكل غير المتجانسة القائمة على تيتانات السترونتيوم. في العينات التي تترسب فيها ألومينا جاما على تيتانات السترونتيوم ، تظل حركة الإلكترون دون تغيير إلى حد كبير في درجة حرارة الغرفة ، ولكنها تتغير بشكل كبير عند كلفن عندما يختلف ضغط الترسيب. يمكن أيضا ضبط خصائص الهياكل غير المتجانسة للأكسيد بعد الترسيب باستخدام التلدين.يتم تحديد الحالة النهائية من خلال وقت التلدين ودرجة حرارة التلدين والغلاف الجوي. يتم قياس موصلات الصفيحة للهياكل غير المتجانسة المكونة من تيتانات السترونتيوم المغطاة بألومينا جاما أو ألومينات اللانثانوم غير المتبلورة عند درجات حرارة مختلفة للصلب. لوحظ أسرع انخفاض في التوصيل للهياكل غير المتجانسة لتيتانات اللانثانوم ألومينات السترونتيوم غير المتبلورة.بالنسبة للهياكل غير المتجانسة لتيتانات السترونتيوم ، يتم التحكم في كثافة الناقل عن طريق التحكم في التلدين والأكسجين. تؤدي خطوات التلدين المتتالية إلى انخفاض ثابت في كثافة الناقل والانتقال من الموصل المعدني إلى السطح العازل. يمكن أن يؤدي تغيير حالة التوصيل في البنية غير المتجانسة لتيتانات السترونتيوم إلى تمكين خصائص مختلفة.هنا ، لم تكن محاولات كتابة الأسلاك النانوية باستخدام مجهر القوة الذرية الموصلة ممكنة قبل التلدين. ومع ذلك ، بعد التلدين ، يمكن كتابة خطوط التوصيل ومحوها في الواجهة. باستخدام هذا النهج ، يمكننا تغيير الخصائص المغناطيسية والإلكترونية للهياكل غير المتجانسة للأكسيد بشكل منهجي ، وبهذه الطريقة ، دراسة دور شواغر الأكسجين في تحديد هذه الخصائص.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

قوالب المعرفة بالذرة لالفوقي النمو من أكسيد مجمع الأغشية الرقيقة

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Tuning a Parallel Segmented Flow Column and Enabling Multiplexed Detection

ضبط عمود مقطع التدفق الموازي وتمكين الكشف المضاعفة

Active flow technology (AFT) is new form of column technology that was designed to overcome flow heterogeneity to increase separation performance in terms ...

Photochemical Oxidative Growth of Iridium Oxide Nanoparticles on CdSe@CdS Nanorods

الضوئية مؤكسد نمو إيريديوم أكسيد النانوية على سيلينيد الكادميوم @ أقراص مدمجة نانواعواد

We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide ...

TiO2-coated Hollow Glass Microspheres with Superhydrophobic and High IR-reflective Properties Synthesized by a Soft-chemistry Method

TiO2-coated Hollow Glass Microspheres with Superhydrophobic and High IR-reflective Properties Synthesized by a Soft-chemistry Method

تيو<sub&gt; 2</sub&gt; المغلفة زجاج مجوف الجزئي مع خصائص Superhydrophobic العالية والأشعة تحت الحمراء للانعكاس تجميعي بطريقة لينة الكيمياء

This manuscript proposes a soft-chemistry method to develop superhydrophobic and highly IR-reflective hollow glass microspheres (HGM). The anatase TiO2 ...

Aerosol-assisted Chemical Vapor Deposition of Metal Oxide Structures: Zinc Oxide Rods

الهباء الجوي-ساعد ترسب البخار الكيميائي للهياكل المعدنية المؤكسدة: قضبان أكسيد الزنك

Whilst columnar zinc oxide (ZnO) structures in the form of rods or wires have been synthesized previously by different liquid- or vapor-phase routes, ...

Fabrication of Spherical and Worm-shaped Micellar Nanocrystals by Combining Electrospray, Self-assembly, and Solvent-based Structure Control

تصنيع نانوكريستالس Micellar كروية وعلى شكل دودة من خلال الجمع بين اليكتروسبراي، التجميع الذاتي، ومراقبة الهيكل القائم على مذيب

Micellar nanocrystals (micelles with encapsulated nanocrystals) have become an emerging major class of nanobiomaterials. We describe a method of ...

Syntheses, Crystallization, and Spectroscopic Characterization of 3,5-Lutidine N-Oxide Dehydrate

Syntheses, Crystallization, and Spectroscopic Characterization of 3,5-Lutidine N-Oxide Dehydrate

التوليفات وتبلور، وتوصيف الطيفية من 3، 5-لوتيديني ن-أكسيد يذوي

The synthesis of 3,5-lutidine N-oxide dehydrate, 1, was achieved in the synthesis route of 2-amino-pyridine-3,5-dicarboxylic acid. Ochiai first used the ...

Surface Properties of Synthesized Nanoporous Carbon and Silica Matrices

خصائص سطح المركبة نانوبوروس الكربون ومصفوفات السليكا

In this work, we report the synthesis and characterization of ordered nanoporous carbon material (also called ordered mesoporous carbon material [OMC]) ...

Molten-Salt Synthesis of Complex Metal Oxide Nanoparticles

الملح المنصهر توليف أكسيد المعدن معقدة جسيمات نانوية

The development of feasible synthesis methods is critical for the successful exploration of novel properties and potential applications of nanomaterials. ...

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

يو2س5 إعداد فيلم عن طريق ثالث أكسيد اليورانيوم2 الترسيب بالتيار المباشر اﻷخرق وأكسدة المتعاقبة والحد مع الأكسجين الذري والهيدروجين الذري

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...