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

Os autores agradecem a J. Geyti, da Universidade Técnica da Dinamarca, por sua assistência técnica. F. Trier agradece o apoio da bolsa de pesquisa VKR023371 (SPINOX) da VILLUM FONDEN. D. V. Christensen agradece o apoio do Programa NERD da Fundação Novo Nordisk: Nova Pesquisa Exploratória e Descoberta, Bolsa Superior NNF21OC0068015.

1. Controlar propriedades variando as condições de crescimento
<ol><li>Preparação de superfícies de alta qualidade de SrTiO3
	<ol><li>Adquira substratos SrTiO3 com terminação mista (por exemplo, de 5 mm x 5 mm x 0,5 mm de tamanho) com um ângulo de superfície típico de 0,05°–0,2° em relação aos planos de cristal (001). NOTA: O ângulo de corte errado determina a planicidade da superfície, o que é importante para o crescimento epitaxial no substrato, bem como pa...

<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>

Os métodos aqui descritos baseiam-se no uso do teor de oxigênio para controlar as propriedades dos óxidos, sendo a pressão parcial de oxigênio e a temperatura de operação parâmetros críticos. Se o estado de oxidação total do sistema é sintonizado de forma que o sistema permaneça em um equilíbrio termodinâmico com a atmosfera circundante (ou seja, pO2 alterado em alta temperatura), as mudanças podem ser reversíveis. No entanto, no caso de heteroestruturas baseadas em SrTiO3, as vagas...

O teor de oxigênio desempenha um papel vital nas propriedades dos materiais óxidos. O oxigênio tem uma alta eletronegatividade e, no limite totalmente iônico, atrai dois elétrons de cátions vizinhos. Esses elétrons são doados para a rede quando uma vacância de oxigênio é formada. Os elétrons podem ficar presos e formar um estado localizado, ou podem se tornar deslocalizados e capazes de conduzir uma corrente de carga. Os estados localizados localizam-se tipicamente no intervalo de banda entre a banda de valência e a banda de condução, com um momento angular total que pode ser diferente de zero 1,2,3. Os estados localizados podem, assim, formar momentos magnéticos localizados e ter grande impacto sobre, por exemplo, as propriedades ópticas e magnéticas 1,2,3. Se os elétrons se tornam deslocalizados, eles contribuem para a densidade de portadores de carga itinerantes. Além disso, se uma vacância de oxigênio ou outros defeitos são formados, a rede se adapta ao defeito. A presença de defeitos pode, assim, levar naturalmente a campos de deformação locais, quebra de simetria e um transporte eletrônico e iônico modificado em óxidos.
O controle da estequiometria de oxigênio é, portanto, muitas vezes a chave para ajustar, por exemplo, as propriedades ópticas, magnéticas e de transporte de materiais óxidos. Um exemplo proeminente é o das heteroestruturas baseadas em SrTiO 3 e SrTiO3, onde o estado fundamental dos sistemas materiais é muito sensível ao conteúdo de oxigênio. Undoped SrTiO 3 é um isolante não magnético com um intervalo de banda de3,2 eV; no entanto, ao introduzir vagas de oxigênio, o SrTiO3 muda o estado de isolante para condutor metálico com uma mobilidade eletrônica superior a 10.000 cm 2/Vs a2 K4. Em baixas temperaturas (T < 450 mK), a supercondutividade pode até ser o estado fundamental favorecido 5,6. Vacâncias de oxigênio em SrTiO3 também foram encontradas para torná-lo ferromagnético7 e resultar em uma transição óptica no espectro visível de transparente para opaco2. Há mais de uma década, há um grande interesse em depositar vários óxidos, como LaAlO 3, CaZrO 3 e γ-Al2O 3, no SrTiO 3 e examinar as propriedades surgidas na interface 8,9,10,11,12,13 . Em alguns casos, verifica-se que as propriedades da interface diferem marcadamente daquelas observadas nos materiais de origem. Um resultado importante das heteroestruturas baseadas em SrTiO3 é que os elétrons podem ser confinados à interface, o que torna possível controlar as propriedades relacionadas à densidade de elétrons itinerantes usando gating eletrostático. Dessa forma, torna-se possível sintonizar, por exemplo, a mobilidade eletrônica 14,15, a supercondutividade 11, o emparelhamento eletrônico 16 e o estado magnético 17 da interface, utilizando campos elétricos.
A formação da interface também permite um controle da química do SrTiO 3, onde a deposição do filme superior no SrTiO3 pode ser usada para induzir uma reação redox através da interface18,19. Se um filme de óxido com uma alta afinidade de oxigênio é depositado no SrTiO 3, o oxigênio pode ser transferido das partes próximas à superfície do SrTiO 3 para o filme superior, reduzindo assim o SrTiO3 e oxidando o filme superior (ver Figura 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig01v2.jpg"> Figura 1: Formação de vacância de oxigênio no SrTiO3. Ilustração esquemática de como vacâncias de oxigênio e elétrons são formados na região interface-próxima de SrTiO3 durante a deposição de um filme fino com alta afinidade por oxigênio. Figura reimpressa com permissão de um estudo de Chen et al.18. Copyright 2011 pela American Chemical Society. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58737/58737fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Neste caso, vacâncias de oxigênio e elétrons são formados perto da interface. Espera-se que este processo seja a origem da condutividade formada durante a deposição na interface entre SrTiO 3 e filmes ou óxidos metálicos cultivados à temperatura ambiente, como LaAlOamorfo 3 18,20 ou γ-Al2O3 10,21,22,23. Assim, as propriedades dessas interfaces baseadas em SrTiO3 são altamente sensíveis ao conteúdo de oxigênio na interface.
Aqui, relatamos o uso de recozimento pós-deposição e variações nos parâmetros de deposição a laser pulsado para controlar as propriedades em materiais óxidos através do ajuste do conteúdo de oxigênio. Usamos γ-Al2O 3 ou LaAlO3 amorfo depositado em SrTiO3 à temperatura ambiente como exemplos de como a densidade portadora, a mobilidade eletrônica e a resistência da folha podem ser alteradas por ordens de magnitude controlando o número de vagas de oxigênio. Os métodos oferecem alguns benefícios além daqueles obtidos com o gating eletrostático, que é tipicamente usado para sintonizar as propriedades elétricas 9,11,14 e em alguns casos magnéticas15,17. Esses benefícios incluem a formação de um estado final (quase-)estável e evitar o uso de campos elétricos, que requer contato elétrico com a amostra e pode causar efeitos colaterais.
A seguir, revisamos abordagens gerais para ajustar as propriedades dos óxidos controlando o teor de oxigênio. Isso é feito de duas maneiras, a saber, 1) variando as condições de crescimento ao sintetizar os materiais óxidos e 2) recozinhando os materiais óxidos em oxigênio. As abordagens podem ser aplicadas para ajustar uma gama de propriedades em muitos óxidos e alguns materiais de monóxido. Fornecemos um exemplo concreto sobre como ajustar a densidade de portadores na interface de heteroestruturas baseadas em SrTiO3. Certifique-se de que um alto nível de limpeza seja exercido para evitar a contaminação das amostras (por exemplo, usando luvas, fornos tubulares dedicados ao SrTiO3 e pinças não magnéticas/resistentes a ácidos).

<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

As propriedades elétricas, ópticas e magnéticas de materiais óxidos muitas vezes podem ser controladas variando o conteúdo de oxigênio. Aqui descrevemos duas abordagens para variar o conteúdo de oxigênio e fornecemos exemplos concretos para ajustar as propriedades elétricas de heteroestruturas baseadas em SrTiO3. Na primeira abordagem, o conteúdo de oxigênio é controlado variando-se os parâmetros de deposição durante uma deposição pulsada de laser. Na segunda abordagem, o conteúdo de oxigênio é ajustado submetendo-se as amostras ao recozimento em oxigênio a temperaturas elevadas após o crescimento do filme. As abordagens podem ser usadas para uma ampla gama de óxidos e materiais não óxidos onde as propriedades são sensíveis a uma mudança no estado de oxidação.
As abordagens diferem significativamente do gating eletrostático, que é frequentemente usado para alterar as propriedades eletrônicas de sistemas eletrônicos confinados, como os observados em heteroestruturas baseadas em SrTiO3. Ao controlar a concentração de vacância de oxigênio, somos capazes de controlar a densidade portadora em muitas ordens de magnitude, mesmo em sistemas eletrônicos não confinados. Além disso, podem ser controladas propriedades que não são sensíveis à densidade de elétrons itinerantes.

Controlando propriedades variando as condições de crescimento Variar os parâmetros de deposição durante a deposição de óxidos pode levar a uma grande mudança nas propriedades, em particular para heteroestruturas baseadas em SrTiO3, como mostrado na Figura 2.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig2v2.jpg"> Figura 2:...

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Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

Os materiais óxidos apresentam muitas propriedades exóticas que podem ser controladas pelo ajuste do teor de oxigênio. Aqui, demonstramos a sintonia do conteúdo de oxigênio em óxidos variando os parâmetros de deposição do laser pulsado e realizando o pós-recozimento. Como exemplo, as propriedades eletrônicas de heteroestruturas baseadas em SrTiO3 são ajustadas por modificações de crescimento e recozimento.

Ajuste das propriedades do óxido pelo controle de vacância de oxigênio durante o crescimento e recozimento

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

O método aqui apresentado permite controlar a quantidade de vacâncias de oxigênio em filmes finos de óxidos durante e após a deposição. Os principais avanços dessa abordagem é que as propriedades elétricas e magnéticas podem ser ajustadas modificando a quantidade de vacâncias de oxigênio. As vagas de oxigênio servem como defeitos funcionais na maioria dos materiais óxidos, e as propriedades de muitos óxidos podem, portanto, ser controladas sistematicamente pela engenharia de defeitos usando esta abordagem.Quem demonstrará o procedimento serão Shinhee, Carlos e Eric, um pós-doutorando e dois alunos de doutorado do nosso laboratório. Para começar, compre substratos de titanato de estrôncio de terminação mista com um ângulo de superfície típico de 0,05 a 0,2 graus em relação aos planos de cristal. Limpe o número desejado de substratos por ultrassom em acetona por cinco minutos.Em seguida, ultrasonicar os substratos por 20 minutos a 70 graus Celsius em água limpa, que dissolve óxido de estrôncio ou forma complexos de hidróxido de estrôncio em domínios de superfície terminados com óxido de estrôncio, deixando os domínios terminados quimicamente estáveis de dióxido de titânio inalterados. Enquanto isso, prepare a solução de aqua regia adicionando lentamente ácido clorídrico na água e, em seguida, adicionando ácido nítrico na solução. Em seguida, ultrasonicar os substratos em uma solução ácida contendo ácido clorídrico, ácido nítrico e água a 70 graus Celsius por 20 minutos em uma capela de fumaça para gravar seletivamente o óxido de estrôncio devido à natureza básica dos domínios superficiais do óxido de estrôncio, à acidez do dióxido de titânio e à presença dos complexos de hidróxido de estrôncio.Remova o ácido residual dos substratos por ultrassonografia em 100 mililitros de água limpa por cinco minutos à temperatura ambiente em uma exaustora. Em seguida, asse os substratos em uma atmosfera de uma barra de oxigênio por uma hora a 1.000 graus Celsius com uma taxa de aquecimento e resfriamento de 100 graus Celsius por hora em um forno de tubo cerâmico para relaxar a superfície do substrato em um estado com baixa energia. Para depositar um filme fino sobre os substratos, monte os substratos em um aquecedor ou transportador de cavacos, dependendo se as medições de transporte de NC2 devem ser realizadas durante a deposição.Em seguida, coloque o substrato terminado com dióxido de titânio a 4,7 centímetros do alvo de alumina cristalina única para uma deposição típica de alumina gama sobre titanato de estrôncio à temperatura ambiente. Prepare-se para ablação de um único alvo de alumina cristalina em uma pressão de oxigênio de 10 até a potência menos cinco milibares. Ajuste as propriedades usando o conteúdo de oxigênio usando uma pressão de deposição de oxigênio na faixa de 10 para a potência menos seis a 0,1 milibares, ou variando outros parâmetros de deposição.Após a incubação, observar o substrato quanto à espessura desejada de deposição de alumina gama. Em seguida, remova a amostra da câmara de deposição e pare todas as medições elétricas. Em seguida, armazene a amostra no vácuo.A degradação da amostra é mais lenta quando armazenada no vácuo ou em nitrogênio. Monte a amostra em um suporte de chip usando pasta de prata. Em seguida, conecte eletricamente a amostra ao porta-lascas usando a colagem de fios de alumínio na geometria de Van der Pauw.Em seguida, coloque o porta-cavacos com a amostra em um forno fechado. Em seguida, usando um conector e fios com isolamento termicamente resistente, conecte eletricamente o suporte de cavacos ao equipamento de medição e inicie as medições de resistência da chapa. Em seguida, coloque o transportador de cavacos equipado com a amostra em um forno fechado e lave completamente com o gás usado para o recozimento enquanto verifica se a resistência da amostra é sensível a uma mudança na atmosfera.Recozir a amostra usando o perfil de recozimento desejado, dependendo da espessura do filme superior e da taxa desejada de incorporação de oxigênio. Aborte o recozimento quando ocorrer uma alteração desejada na resistência da chapa. Usando esta configuração, o desenvolvimento da resistência da folha em heteroestruturas de óxidos como titanato de estrôncio de alumina gama e titanato de estrôncio de aluminato de lantânio pode ser monitorado in situ durante a deposição pulsada a laser.Quando o ambiente de medição é alterado pela medição ex-situ ou via descarga de oxigênio in-situ, mudanças significativas na resistência da folha das heteroestruturas baseadas em titanato de estrôncio podem ser observadas. Em amostras onde a alumina gama é depositada sobre titanato de estrôncio, a mobilidade do elétron permanece praticamente inalterada à temperatura ambiente, mas muda drasticamente em dois Kelvin quando a pressão de deposição é variada. As propriedades das heteroestruturas de óxidos também podem ser ajustadas após a deposição usando recozimento.O estado final é determinado pelo tempo de recozimento e temperatura de recozimento e atmosfera. Os condutores de folhas de heteroestruturas compostas de titanato de estrôncio coberto com alumina gama ou aluminato de lantânio amorfo são medidos em várias temperaturas de recozimento. A diminuição mais rápida na condutância foi observada para as heteroestruturas amorfas de titanato de lantânio aluminato de estrôncio.Para as heteroestruturas de titanato de estrôncio, a densidade do carreador é controlada controlando-se o recozimento e o oxigênio. Etapas consecutivas de recozimento resultam em uma diminuição constante da densidade do portador e uma transição de uma interface condutora metálica para uma interface isolante. A alteração do estado condutor na heteroestrutura do titanato de estrôncio pode permitir diferentes propriedades.Aqui, tentativas de escrever nanofios usando um microscópio de força atômica condutor não foram possíveis antes do recozimento. No entanto, após o recozimento, as linhas condutoras podem ser escritas e apagadas na interface. Usando esta abordagem, podemos alterar sistematicamente as propriedades magnéticas e eletrônicas de heteroestruturas de óxidos e, desta forma, estudar o papel das vacâncias de oxigênio na determinação dessas propriedades.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

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

Química

Tuning a Parallel Segmented Flow Column and Enabling Multiplexed Detection

Sintonizar um paralelo Coluna Segmentada fluxo e permitindo a detecção multiplexada

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

Fotoquímica Crescimento oxidativo da Iridium nanopartículas de óxido de CdSe @ CdS nanobastões

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

TiO<sub&gt; 2</subMicroesferas de vidro ocas&gt; -Revestido com propriedades super-hidrofóbicas e alta IR-reflexivo sintetizados por um método Soft-química

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

Aerossol-assistida de deposição de Vapor químico de estruturas de óxido de Metal: hastes de óxido de zinco

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

Fabricação de nanocristais micélica esférico e em forma de verme, combinando Electrospray, auto-montagem e controle de estrutura de base solvente

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

Sínteses, cristalização e caracterização espectroscópica de 3,5-Lutidine N-óxido de desidratar

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

Propriedades de superfície de carbono de Nanoporous sintetizado e matrizes de sílica

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

Sal fundido síntese de nanopartículas de óxido metálico complexo

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

U2O5 filme preparação via UO2 deposição por pulverização catódica de corrente contínua e sucessiva oxidação e redução com o oxigênio e hidrogênio atômico

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 ...