Name: tuning oxide properties by oxygen vacancy control during growth and annealing
Uploaded: 2023-06-09T15:00:00
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著者らは、デンマーク工科大学のJ. Geyti氏の技術支援に感謝している。F. Trierは、VILLUM FONDENからの研究助成金VKR023371(SPINOX)による支援を認めています。D. V. Christensenは、ノボ ノルディスク財団 NERDプログラム:新しい探索的研究と発見、優れた助成金NNF21OC0068015の支援を認めています。

1. 生育条件の変化による物性制御
<ol><li>SrTiO3の高品質表面の調製
	<ol><li>(001)結晶面に対して0.05°〜0.2°の典型的な表面角度を持つ混合終端SrTiO3 基板(例えば、サイズが5 mm x 5 mm x 0.5 mm)を購入します。 注:ミスカット角度は表面の平坦度を決定し、これは基板上のエピタキシャル成長、および界面で生じる特性にとって重要です。</li>
		<li>標準的な超音波装置で?...

<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>

ここで説明する方法は、酸化物特性を制御するために酸素含有量を使用することに依存しており、したがって、酸素分圧と動作温度は重要なパラメータです。系の全酸化状態が、系が周囲の大気と熱力学的平衡にとどまるように調整される場合(すなわち、高温でpO2が変化した場合)、その変化は可逆的であり得る。しかしながら、SrTiO3ベースのヘテロ構造の場合、界面酸素空?...

酸素含有量は、酸化物材料の特性に重要な役割を果たします。酸素は高い電気陰性度を有し、そして完全にイオン限界において、隣接する陽イオンから2つの電子を引き付ける。これらの電子は、酸素空孔が形成されると格子に供与される。電子はトラップされて局在状態を形成することも、非局在化して電荷電流を伝導することもできる。局在状態は、典型的には、価電子帯と伝導帯の間のバンドギャップに位置し、全角運動量はゼロ以外の1,2,3であり得る。したがって、局在状態は局所的な磁気モーメントを形成し、例えば光学的および磁気的特性に大きな影響を与える可能性があります1,2,3。電子が非局在化すると、それらは遍歴電荷キャリアの密度に寄与する。さらに、酸素空孔または他の欠陥が形成されると、格子はその欠陥に適応する。したがって、欠陥の存在は、局所的なひずみ場、対称性の破れ、および酸化物中の電子的およびイオン輸送の修正を自然にもたらす可能性があります。
したがって、酸素化学量論の制御は、例えば酸化物材料の光学的、磁気的、および輸送特性を調整するための鍵となることがよくあります。顕著な例は、SrTiO 3およびSrTiO3ベースのヘテロ構造であり、材料系の基底状態は酸素含有量に非常に敏感です。アンドープされていないSrTiO 3は、バンドギャップが3.2 eVの非磁性絶縁体です。しかし、酸素空孔を導入することにより、SrTiO3は、2 K4で10,000 cm2 / Vsを超える電子移動度を持つ絶縁性から金属導電性の状態に変化します。低温(T < 450 mK)では、超伝導は好ましい基底状態でさえあるかもしれません5,6。SrTiO3の酸素空孔は、それを強磁性7にし、可視スペクトルの透明から不透明2への光学的遷移をもたらすこともわかっています。10年以上にわたり、LaAlO 3、CaZrO 3、γ-Al2O 3などのさまざまな酸化物をSrTiO 3に堆積させ、界面で生じる特性を調べることに大きな関心が寄せられてきました8,9,10,11,12,13 .場合によっては、界面の特性が親材料で観察されたものと著しく異なることがわかります。SrTiO3ベースのヘテロ構造の重要な結果は、電子を界面に限定することができ、それは静電ゲーティングを用いて遍歴電子の密度に関連する特性を制御することを可能にすることである。このようにして、例えば、電場を用いて、界面の電子移動度14,15、超伝導11、電子対16、および磁気状態17を調整することが可能となる。
界面の形成はまた、SrTiO3化学の制御を可能にし、ここで、SrTiO3上の上部膜の堆積は、界面18、19を横切る酸化還元反応を誘発するために使用することができる。SrTiO3上に酸素親和性の高い酸化膜を成膜すると、SrTiO3の表面近傍部分から上膜に酸素が移動し、SrTiO3が還元され、上膜が酸化されます(図1参照)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig01v2.jpg"> 図1:SrTiO3における酸素空孔形成。酸素親和力の高い薄膜の成膜時に、SrTiO3の界面近傍領域に酸素空孔と電子がどのように形成されるかの模式図。Chenらの研究の許可を得て転載された図18。アメリカ化学会による著作権2011。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58737/58737fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
この場合、酸素空孔および電子が界面近くに形成される。このプロセスは、SrTiO3と室温成長した金属膜またはアモルファスLaAlO318,20またはγ-Al2O3 10,21,22,23などの酸化物との界面での堆積中に形成される導電性の起源であると予想される。したがって、これらのSrTiO3ベースの界面の特性は、界面での酸素含有量に非常に敏感である。
ここでは、ポスト蒸着アニールの使用とパルスレーザー蒸着パラメータの変動を利用して、酸素含有量を調整することで酸化物材料の特性を制御することを報告します。SrTiO3上に室温で堆積したγ-Al2O3やアモルファスLaAlO3を用いて、酸素空孔数を制御することでキャリア密度、電子移動度、シート抵抗を桁違いに変化させる方法を紹介します。この方法は、電気9,11,14および場合によっては磁気15,17の特性を調整するために典型的に使用される静電ゲーティングで得られるものを超えていくつかの利点を提供する。これらの利点には、(準)安定した最終状態を形成し、サンプルへの電気的接触を必要とし、副作用を引き起こす可能性のある電界の使用を回避することが含まれます。
以下では、酸素含有量を制御することによって酸化物の特性を調整するための一般的なアプローチを検討します。これは、1)酸化物材料を合成する際の成長条件を変えること、および2)酸化物材料を酸素中でアニールすることの2つの方法で行われる。これらのアプローチは、多くの酸化物および一部の一酸化炭素材料におけるさまざまな特性を調整するために適用できます。SrTiO3ベースのヘテロ構造の界面におけるキャリア密度を調整する方法の具体例を提供します。サンプルの汚染を避けるために、高レベルの清浄度が行使されていることを確認してください(たとえば、手袋、SrTiO3専用の管状炉、および非磁性/耐酸性ピンセットを使用します)。

<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

酸化物材料の電気的、光学的、および磁気的特性は、多くの場合、酸素含有量を変えることによって制御できます。ここでは、酸素含有量を変化させるための2つのアプローチを概説し、SrTiO3ベースのヘテロ構造の電気的特性を調整するための具体例を提供します。第1のアプローチでは、パルスレーザー堆積中に堆積パラメータを変化させることによって酸素含有量が制御される。第2のアプローチでは、膜成長後に高温で試料を酸素中でアニーリングすることによって酸素含有量を調整する。このアプローチは、特性が酸化状態の変化に敏感な幅広い酸化物および非酸化物材料に使用できます。
このアプローチは、SrTiO3ベースのヘテロ構造で観察されるような閉じ込められた電子システムの電子特性を変化させるためによく使用される静電ゲーティングとは大きく異なります。酸素空孔濃度を制御することで、非閉じ込め電子システムにおいてもキャリア密度を何桁も制御することができます。さらに、遍歴電子の密度に敏感ではない特性を制御することができます。

成長条件の変化による特性の制御 酸化物の堆積中に堆積パラメータを変化させると、図2に示すように、特にSrTiO3ベースのヘテロ構造の特性に大きな変化が生じる可能性があります。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig2v2.jpg"> 図2:最上層の厚さを調?...

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Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

酸化物材料は、酸素含有量を調整することによって制御できる多くのエキゾチックな特性を示します。ここでは、パルスレーザー堆積パラメータを変化させ、ポストアニールを行うことにより、酸化物中の酸素含有量の調整を示します。一例として、SrTiO3ベースのヘテロ構造の電子特性は、成長修飾およびアニーリングによって調整される。

成長・アニール時の酸素空孔制御による酸化物物性の調整

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

ここで提示された方法は、堆積中および堆積後の両方で酸化物薄膜中の酸素空孔の量を制御することを可能にする。このアプローチの主な進歩は、酸素空孔の量を変更することによって電気的および磁気的特性を調整できることです。酸素空孔は、ほとんどの酸化物材料において機能欠陥として機能し、したがって、多くの酸化物の特性は、このアプローチを用いた欠陥工学によって体系的に制御することができる。手順のデモンストレーションは、ポスドクのシンヒ、カルロス、エリック、そして私たちの研究室の2人の博士課程の学生です。まず、結晶面に対して0.05〜0.2度の典型的な表面角度を持つ混合終端チタン酸ストロンチウム基板を購入します。5分間アセトン中で超音波処理することにより、所望の数の基質を洗浄する。次に、酸化ストロンチウムを溶解するか、酸化ストロンチウムで終端された表面ドメインで水酸化ストロンチウム錯体を形成するきれいな水に摂氏70度で20分間基板を超音波処理し、化学的に安定した二酸化チタン終端ドメインを変化させないままにします。それまでの間、水に塩酸をゆっくりと加え、次に硝酸を溶液に加えることによって王水溶液を調製します。次に、塩酸、硝酸、水を含む酸性溶液中で基質をヒュームフード内で摂氏70度で20分間超音波処理し、酸化ストロンチウム表面ドメインの基本的な性質、二酸化チタンの酸性度、および水酸化ストロンチウム錯体の存在により、酸化ストロンチウムを選択的にエッチングする。ヒュームフード内の室温で5分間、100ミリリットルのきれいな水中で超音波処理することにより、基板から残留酸を除去します。次に、セラミック管状炉で1時間に摂氏100度の加熱および冷却速度で1, 000°Cで1時間、1バールの酸素の雰囲気で基板を焼いて、基板表面を低エネルギーの状態に緩和します。基板上に薄膜を堆積させるには、成膜中にNC2輸送測定を実行するかどうかに応じて、基板をヒーターまたはチップキャリアに取り付けます。次に、室温でチタン酸ストロンチウム上にガンマアルミナを典型的に堆積させるために、単結晶性アルミナターゲットから4.7センチメートルの二酸化チタン終端基板を配置する。単一の結晶性アルミナターゲットから酸素圧10から5ミリバールを引いた電力までアブレーションする準備をします。酸素含有量を使用して、10の累乗から6〜0.1ミリバールを引いた範囲の酸素堆積圧力を使用するか、他の堆積パラメータを変化させて、特性を調整します。インキュベーション後、所望の厚さのガンマアルミナ堆積について基板を観察する。次に、サンプルを堆積チャンバーから取り出し、電気測定を停止します。その後、サンプルを真空中に保管します。サンプルの分解は、真空または窒素で保存すると最も遅くなります。銀ペーストを使用してサンプルをチップキャリアにマウントします。次に、ファンデルポー形状のアルミニウムワイヤのウェッジワイヤボンディングを使用して、サンプルをチップキャリアに電気的に接続します。次に、サンプルを含むチップキャリアを密閉炉に入れます。次に、耐熱絶縁を施したコネクタとワイヤを用いて、チップキャリアを測定機器に電気的に接続し、シート抵抗測定を開始します。次に、試料を取り付けたチップキャリアを密閉炉内に置き、焼鈍に使用したガスを十分に流し、試料抵抗が大気の変化に敏感かどうかを確認します。トップフィルムの厚さおよび所望の酸素取り込み速度に応じて、所望のアニーリングプロファイルを用いてサンプルをアニールする。シート抵抗に望ましい変化が発生したら、焼鈍を中止します。このセットアップを使用して、ガンマアルミナストロンチウムチタン酸塩やランタンアルミン酸ストロンチウムチタン酸塩などの酸化物ヘテロ構造におけるシート抵抗の発生を、パルスレーザー堆積中にその場で監視できます。ex-situまたはin-situ酸素フラッシングによる測定環境を変化させると、チタン酸ストロンチウムベースのヘテロ構造のシート抵抗に大きな変化が見られます。チタン酸ストロンチウム上にガンマアルミナを堆積させた試料では、電子移動度は室温ではほとんど変化しませんが、堆積圧力を変化させると2ケルビンで劇的に変化します。酸化物ヘテロ構造の特性は、アニーリングを使用して堆積後に調整することもできます。最終的な状態は、アニール時間とアニール温度と雰囲気によって決まります。ガンマアルミナまたはアモルファスランタンアルミン酸塩でキャップされたチタン酸ストロンチウムからなるヘテロ構造のシート導体は、さまざまなアニーリング温度で測定されます。コンダクタンスの最も速い減少は、アモルファスランタンアルミン酸ストロンチウムチタン酸ヘテロ構造について観察された。チタン酸ストロンチウムヘテロ構造の場合、キャリア密度はアニールと酸素を制御することによって制御される。連続したアニーリングステップは、キャリア密度の着実な減少と金属導電性から絶縁界面への遷移をもたらします。チタン酸ストロンチウムヘテロ構造における伝導状態を変えると、異なる特性が可能になる。ここでは、アニール前に導電性原子間力顕微鏡を使用してナノワイヤーを書き込む試みは不可能でした。ただし、アニーリング後、導電線は界面で書き込みおよび消去できます。このアプローチを用いることで、酸化物ヘテロ構造の磁気的・電子的性質を系統的に変化させることができ、酸素空孔がこれらの性質を決定する上で果たす役割を研究することができます。

Research

JoVE Journal

Chemistry

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

複合酸化物薄膜のエピタキシャル成長のために原子的に定義されたテンプレート

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

パラレル・セグメントフローカラムをチューニングし、多重化された検出のイネーブル化

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

CdSeの@のCdSナノロッド上にイリジウム酸化物ナノ粒子の光化学酸化成長

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

たTiO<sub&gt; 2</subソフト化学法により合成超疎水性と高IR反射特性を持つ&gt;でコーティングされた中空ガラスマイクロスフェア

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

エアロゾルによる金属酸化物の構造の化学蒸着: 酸化亜鉛棒

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

組み立て式、エレクトロ スプレーを組み合わせることによって球形とワーム状ミセル ナノ結晶と溶剤ベースの構造制御の作製

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

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合成、結晶化、および 3, 5-ルチジンNの分光学的キャラクタリゼーション-酸化物の脱水

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

合成多孔性カーボンとシリカ マトリックスの表面特性

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

複合金属酸化物ナノ粒子の溶融塩合成

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

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U2O5膜を介して直流スパッタリングと連続酸化による UO2成膜と酸素原子と水素原子の還元

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 ...