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

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.

1. Controllo delle proprietà variando le condizioni di crescita
<ol><li>Preparazione di superfici di alta qualità di SrTiO3
	<ol><li>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 propri...

<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>

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</sub...

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).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig01v2.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58737/58737fig1large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
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).

<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

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.

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.
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Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

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.

Regolazione delle proprietà dell'ossido mediante il controllo del vuoto di ossigeno durante la crescita e la ricottura

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

Il metodo qui presentato consente di controllare la quantità di ossigeno vacante nei film sottili di ossido sia durante che dopo la deposizione. I principali progressi di questo approccio sono che le proprietà elettriche e magnetiche possono essere regolate modificando la quantità di posti vacanti di ossigeno. I vuoti di ossigeno fungono da difetti funzionali nella maggior parte dei materiali ossidi e le proprietà di molti ossidi possono quindi essere controllate sistematicamente mediante l'ingegneria dei difetti utilizzando questo approccio.A dimostrare la procedura saranno Shinhee, Carlos ed Eric, un post-doc e due dottorandi del nostro laboratorio. Per iniziare, acquista substrati di titanato di stronzio con terminazione mista con un angolo superficiale tipico da 0,05 a 0,2 gradi rispetto ai piani cristallini. Pulire il numero desiderato di substrati mediante ultrasuoni in acetone per cinque minuti.Quindi ultrasonicare i substrati per 20 minuti a 70 gradi Celsius in acqua pulita, che dissolve l'ossido di stronzio o forma complessi di idrossido di stronzio nei domini superficiali terminati con ossido di stronzio, lasciando invariati i domini chimicamente stabili e terminati con biossido di titanio. Nel frattempo, preparare la soluzione di acqua regia aggiungendo lentamente acido cloridrico in acqua e quindi aggiungendo acido nitrico nella soluzione. Successivamente, ultrasonicare i substrati in una soluzione acida contenente acido cloridrico, acido nitrico e acqua a 70 gradi Celsius per 20 minuti in una cappa aspirante per incidere selettivamente l'ossido di stronzio a causa della natura di base dei domini superficiali dell'ossido di stronzio, dell'acidità del biossido di titanio e della presenza dei complessi di idrossido di stronzio.Rimuovere l'acido residuo dai substrati mediante ultrasuoni in 100 millilitri di acqua pulita per cinque minuti a temperatura ambiente in una cappa aspirante. Quindi cuocere i substrati in un'atmosfera di una barra di ossigeno per un'ora a 1.000 gradi Celsius con una velocità di riscaldamento e raffreddamento di 100 gradi Celsius all'ora in un forno tubolare ceramico per rilassare la superficie del substrato in uno stato a bassa energia. Per depositare un film sottile sui substrati, montare i substrati su un riscaldatore o un supporto di trucioli, a seconda che le misurazioni del trasporto NC2 debbano essere eseguite durante la deposizione.Quindi, posizionare il substrato terminato con biossido di titanio a 4,7 centimetri dal bersaglio di allumina cristallina singola per una tipica deposizione di allumina gamma sul titanato di stronzio a temperatura ambiente. Prepararsi per l'ablazione da un singolo bersaglio di allumina cristallina in una pressione di ossigeno di 10 alla potenza meno cinque millibar. Regolare le proprietà utilizzando il contenuto di ossigeno utilizzando una pressione di deposizione di ossigeno nell'intervallo 10 alla potenza da meno sei a 0,1 millibar o variando altri parametri di deposizione.Dopo l'incubazione, osservare il substrato per lo spessore desiderato della deposizione di allumina gamma. Quindi, rimuovere il campione dalla camera di deposizione e interrompere qualsiasi misurazione elettrica. Quindi conservare il campione nel vuoto.La degradazione del campione è più lenta se conservata sotto vuoto o azoto. Montare il campione su un supporto per trucioli utilizzando pasta d'argento. Quindi collegare elettricamente il campione al supporto del chip utilizzando l'incollaggio del filo a cuneo dei fili di alluminio nella geometria di Van der Pauw.Quindi, posizionare il supporto del truciolo con il campione in un forno chiuso. Quindi, utilizzando un connettore e fili con isolamento termicamente resistente, collegare elettricamente il supporto del chip all'apparecchiatura di misura e avviare le misurazioni della resistenza del foglio. Quindi posizionare il portatruciolo dotato del campione in un forno chiuso e 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, a seconda dello spessore del film superiore e della velocità desiderata di incorporazione di ossigeno. Interrompere la ricottura quando si è verificato un cambiamento desiderato nella resistenza del foglio. Utilizzando questa configurazione, lo sviluppo della resistenza del foglio in eterostrutture di ossido come il titanato di stronzio di allumina gamma e il titanato di stronzio alluminato di lantanio può essere monitorato in situ durante la deposizione laser pulsata.Quando l'ambiente di misura viene modificato misurando ex-situ o tramite lavaggio dell'ossigeno in situ, si possono osservare cambiamenti significativi nella resistenza del foglio delle eterostrutture a base di titanato di stronzio. Nei campioni in cui l'allumina gamma è depositata sul titanato di stronzio, la mobilità degli elettroni rimane sostanzialmente invariata a temperatura ambiente, ma cambia drasticamente a due Kelvin quando la pressione di deposizione è variata. Le proprietà delle eterostrutture di ossido possono anche essere regolate dopo la deposizione utilizzando la ricottura.Lo stato finale è determinato dal tempo di ricottura e dalla temperatura e dall'atmosfera di ricottura. I conduttori di fogli di eterostrutture composte da titanato di stronzio ricoperti di allumina gamma o alluminato di lantanio amorfo sono misurati a varie temperature di ricottura. La diminuzione più rapida della conduttanza è stata osservata per le eterostrutture amorfe di lantanio alluminato di stronzio titanato.Per le eterostrutture del titanato di stronzio, la densità portante è controllata controllando la ricottura e l'ossigeno. Le fasi di ricottura consecutive determinano una costante diminuzione della densità portante e una transizione da un'interfaccia metallica conduttrice a un'interfaccia isolante. La modifica dello stato conduttore nell'eterostruttura del titanato di stronzio può abilitare proprietà diverse.Qui, i tentativi di scrivere nanofili usando un microscopio a forza atomica conduttrice non erano possibili prima della ricottura. Tuttavia, dopo la ricottura, le linee conduttrici possono essere scritte e cancellate nell'interfaccia. Usando questo approccio, possiamo modificare sistematicamente le proprietà magnetiche ed elettroniche delle eterostrutture di ossido e, in questo modo, studiare il ruolo dei posti vacanti di ossigeno nel determinare queste proprietà.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

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Ricerca

Chimica

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

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

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