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

Авторы благодарят Й. Гейти из Технического университета Дании за техническую помощь. Ф. Триер благодарит за поддержку исследовательским грантом VKR023371 (SPINOX) от VILLUM FONDEN. Д. В. Кристенсен выражает благодарность за поддержку программы NERD Фонда «Ново Нордиск»: новые поисковые исследования и открытия, превосходный грант NNF21OC0068015.

1. Управление свойствами путем изменения условий роста
<ol><li>Подготовка высококачественных поверхностей SrTiO3
	<ol><li>Приобретите подложки SrTiO3 со смешанными концевыми концами (например, размером 5 мм x 5 мм x 0,5 мм) с типичным углом поверхности 0,05°–0,2° по отношению к (001) кр...

<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>

Описанные здесь методы основаны на использовании содержания кислорода для контроля свойств оксидов, а парциальное давление кислорода и рабочая температура, таким образом, являются критическими параметрами. Если общая степень окисления системы настроена таким образом, что система ос?...

Содержание кислорода играет жизненно важную роль в свойствах оксидных материалов. Кислород обладает высокой электроотрицательностью и в полностью ионном пределе притягивает два электрона от соседних катионов. Эти электроны отдаются решетке, когда образуется кислородная вакансия. Электроны могут быть захвачены и образовывать локализованное состояние, или они могут стать делокализованными и способными проводить зарядный ток. Локализованные состояния обычно расположены в запрещенной зоне между валентной зоной и зоной проводимости с полным угловым моментом, который может быть ненулевым 1,2,3. Таким образом, локализованные состояния могут образовывать локализованные магнитные моменты и оказывать большое влияние, например, на оптические и магнитные свойства 1,2,3. Если электроны становятся делокализованными, они вносят свой вклад в плотность странствующих носителей заряда. Кроме того, если образуется кислородная пустота или другие дефекты, решетка приспосабливается к дефекту. Таким образом, наличие дефектов может естественным образом привести к локальным полям деформации, нарушению симметрии и модифицированному электронному и ионному переносу в оксидах.
Таким образом, управление стехиометрией кислорода часто является ключом к настройке, например, оптических, магнитных и транспортных свойств оксидных материалов. Ярким примером являются гетероструктуры на основе SrTiO 3 и SrTiO3, где основное состояние материальных систем очень чувствительно к содержанию кислорода. Нелегированный SrTiO 3 представляет собой немагнитный изолятор с запрещенной зоной3,2 эВ; однако, вводя кислородные вакансии, SrTiO3 изменяет состояние с изолирующего на металлическое проводящее с подвижностью электронов, превышающей 10 000см2/Vs при 2 K4. При низких температурах (T < 450 мК) сверхпроводимость может быть даже предпочтительным основным состоянием 5,6. Также было обнаружено, что кислородные вакансии в SrTiO3 делают его ферромагнитным7 и приводят к оптическому переходу в видимом спектре от прозрачного к непрозрачному2. Уже более десяти лет существует большой интерес к нанесению различных оксидов, таких как LaAlO3, CaZrO 3 и γ-Al2O 3, на SrTiO 3 и изучению свойств, возникающих на границе раздела8,9,10,11,12,13 . В некоторых случаях оказывается, что свойства интерфейса заметно отличаются от тех, которые наблюдаются в родительских материалах. Важным результатом гетероструктур на основе SrTiO3 является то, что электроны могут быть ограничены границей раздела, что позволяет управлять свойствами, связанными с плотностью странствующих электронов, с помощью электростатического стробирования. Таким образом, становится возможным настроить, например, подвижность электронов 14,15, сверхпроводимость11, спариваниеэлектронов 16 и магнитное состояние17 границы раздела с помощью электрических полей.
Формирование границы раздела также позволяет контролировать химический состав SrTiO 3, где осаждение верхней пленки на SrTiO3 может быть использовано для индукции окислительно-восстановительной реакции на границераздела 18,19. Если оксидная пленка с высоким сродством к кислороду осаждается на SrTiO 3, кислород может переноситься из приповерхностных частей SrTiO 3 в верхнюю пленку, тем самым восстанавливая SrTiO3 и окисляя верхнюю пленку (см. рис. 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig01v2.jpg"> Рисунок 1: Образование кислородных вакансий в SrTiO3. Схематическая иллюстрация того, как образуются кислородные вакансии и электроны в ближней области раздела SrTiO3 при осаждении тонкой пленки с высоким сродством к кислороду. Перепечатано с разрешения исследования Chen et al.18. Авторское право 2011 Американского химического общества. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58737/58737fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
В этом случае кислородные вакансии и электроны образуются вблизи границы раздела. Предполагается, что этот процесс является источником проводимости, образующейся при осаждении на границе раздела между SrTiO 3 и выращенными при комнатной температуре металлическими пленками или оксидами, такими как аморфный LaAlO 3 18,20 или γ-Al2O 3 10,21,22,23. Таким образом, свойства этих интерфейсов на основе SrTiO3 очень чувствительны к содержанию кислорода на границе раздела.
Здесь мы сообщаем об использовании отжига после осаждения и вариациях параметров импульсного лазерного осаждения для управления свойствами оксидных материалов путем настройки содержания кислорода. Мы используем γ-Al2O 3 или аморфный LaAlO 3, осажденный на SrTiO 3 при комнатной температуре, в качестве примеров того, как плотность носителя, подвижность электронов и сопротивление листа могут быть изменены на порядки, контролируя количество кислородных вакансий. Эти методы предлагают некоторые преимущества по сравнению с теми, которые получены с помощью электростатического стробирования, которое обычно используется для настройки электрическихсвойств 9,11,14 и, в некоторых случаях, магнитных 15,17. Эти преимущества включают формирование (квази-)стабильного конечного состояния и отказ от использования электрических полей, которые требуют электрического контакта с образцом и могут вызывать побочные эффекты.
Далее мы рассмотрим общие подходы к настройке свойств оксидов путем управления содержанием кислорода. Это делается двумя способами, а именно: 1) путем изменения условий роста при синтезе оксидных материалов и 2) путем отжига оксидных материалов в кислороде. Эти подходы могут быть применены для настройки ряда свойств во многих оксидных и некоторых монооксидных материалах. Приведен конкретный пример настройки плотности носителей на границе раздела гетероструктур на основе SrTiO3. Обеспечьте высокий уровень чистоты, чтобы избежать загрязнения образцов (например, с помощью перчаток, трубчатых печей, предназначенных для SrTiO3, и немагнитного/кислотостойкого пинцета).

<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

Электрические, оптические и магнитные свойства оксидных материалов часто можно контролировать, изменяя содержание кислорода. Здесь мы описываем два подхода к варьированию содержания кислорода и приводим конкретные примеры настройки электрических свойств гетероструктур на основе SrTiO3. В первом подходе содержание кислорода контролируется путем изменения параметров осаждения во время импульсного лазерного осаждения. Во втором подходе содержание кислорода настраивается путем отжига образцов в кислороде при повышенных температурах после роста пленки. Эти подходы могут быть использованы для широкого диапазона оксидов и неоксидных материалов, свойства которых чувствительны к изменению степени окисления.
Подходы значительно отличаются от электростатического стробирования, которое часто используется для изменения электронных свойств замкнутых электронных систем, таких как те, которые наблюдаются в гетероструктурах на основе SrTiO3. Контролируя концентрацию кислородных вакансий, мы можем контролировать плотность носителей на многие порядки, даже в незамкнутых электронных системах. Более того, можно управлять свойствами, которые не чувствительны к плотности странствующих электронов.

Управление свойствами путем изменения условий роста Изменение параметров осаждения во время осаждения оксидов может привести к значительному изменению свойств, в частности для гетероструктур на основе SrTiO3, как показано на рисунке 2.</...

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

Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

Оксидные материалы проявляют множество экзотических свойств, которыми можно управлять, регулируя содержание кислорода. Здесь мы демонстрируем настройку содержания кислорода в оксидах путем варьирования параметров импульсного лазерного осаждения и выполнения постотжига. Например, электронные свойства гетероструктур на основе SrTiO3 настраиваются с помощью модификаций роста и отжига.

Настройка свойств оксида методом контроля вакансий кислорода при росте и отжиге

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

Представленный здесь способ позволяет контролировать количество кислородных вакансий в тонких пленках оксидов как во время, так и после осаждения. Основные достижения этого подхода заключаются в том, что электрические и магнитные свойства могут быть настроены путем изменения количества кислородных вакансий. Кислородные вакансии служат функциональными дефектами в большинстве оксидных материалов, и поэтому свойства многих оксидов можно систематически контролировать с помощью дефектной инженерии с использованием этого подхода.Продемонстрацией процедуры будут Шинхи, Карлос и Эрик, постдок и два аспиранта из нашей лаборатории. Для начала приобретите подложки из титаната стронция со смешанными концами с типичным углом поверхности от 0,05 до 0,2 градуса по отношению к кристаллическим плоскостям. Очистите желаемое количество субстратов ультразвуком в ацетоне в течение пяти минут.Затем ультразвуком обрабатывают субстраты в течение 20 минут при 70 градусах Цельсия в чистой воде, которая растворяет оксид стронция или образует комплексы гидроксида стронция на поверхностных доменах, оканчивающихся оксидом стронция, оставляя при этом химически стабильные домены, завершенные диоксидом титана, без изменений. Тем временем приготовьте раствор царской водки, медленно добавляя соляную кислоту в воду, а затем добавляя азотную кислоту в раствор. Затем ультразвуком проведите ультразвук субстратов в кислом растворе, содержащем соляную кислоту, азотную кислоту и воду при 70 градусах Цельсия в течение 20 минут в вытяжном шкафу, чтобы выборочно вытравить оксид стронция из-за основной природы поверхностных доменов оксида стронция, кислотности диоксида титана и присутствия комплексов гидроксида стронция.Удалите остаточную кислоту с субстратов ультразвуком в 100 миллилитрах чистой воды в течение пяти минут при комнатной температуре в вытяжном шкафу. Затем запекают субстраты в атмосфере одного бара кислорода в течение одного часа при температуре 1 000 градусов Цельсия со скоростью нагрева и охлаждения 100 градусов Цельсия в час в керамической трубчатой печи, чтобы расслабить поверхность подложки до состояния с низкой энергией. Чтобы нанести тонкую пленку на подложки, установите подложки на нагреватель или держатель стружки, в зависимости от того, должны ли измерения транспортировки NC2 выполняться во время осаждения.Затем поместите подложку с концевыми концами диоксида титана на расстоянии 4,7 сантиметра от монокристаллической мишени из оксида алюминия для типичного осаждения гамма-оксида алюминия на титанате стронция при комнатной температуре. Подготовьтесь к абляции из монокристаллического оксида алюминия при давлении кислорода 10 до мощности минус пять миллибар. Настройте свойства, используя содержание кислорода, используя давление осаждения кислорода в диапазоне от 10 до степени минус шесть до 0,1 миллибар или изменяя другие параметры осаждения.После инкубации наблюдайте за субстратом на желаемую толщину осаждения гамма-оксида алюминия. Затем извлеките образец из камеры осаждения и прекратите любые электрические измерения. Затем храните образец в вакууме.Разложение образца происходит медленнее всего при хранении в вакууме или азоте. Смонтируйте образец на носитель чипа с помощью серебряной пасты. Затем электрически соедините образец с носителем микросхемы с помощью клинового соединения алюминиевых проводов в геометрии Ван-дер-Пау.Далее помещают держатель стружки с образцом в закрытую печь. Затем, используя разъем и провода с термостойкой изоляцией, электрически подключите носитель микросхемы к измерительному оборудованию и начните измерения сопротивления листа. Затем поместите держатель стружки, оснащенный образцом, в закрытую печь и тщательно промойте газом, используемым для отжига, проверяя, чувствительно ли сопротивление образца к изменению атмосферы.Отжигают образец, используя желаемый профиль отжига, в зависимости от толщины верхней пленки и желаемой скорости включения кислорода. Прервите отжиг, когда произойдет желаемое изменение сопротивления листа. Используя эту установку, можно контролировать развитие сопротивления листа в оксидных гетероструктурах, таких как гамма-оксид алюминия, титанат стронция и титанат стронция из алюмината лантана, можно контролировать на месте во время импульсного лазерного осаждения.Когда измерительная среда изменяется путем измерения ex-situ или с помощью промывки кислородом in-situ, можно наблюдать значительные изменения сопротивления листа гетероструктур на основе титаната стронция. В образцах, где гамма-оксид алюминия осаждается на титанате стронция, подвижность электронов остается в основном неизменной при комнатной температуре, но резко изменяется при двух Кельвинах при изменении давления осаждения. Свойства оксидных гетероструктур также могут быть настроены после осаждения с помощью отжига.Конечное состояние определяется временем отжига, температурой отжига и атмосферой. Листовые проводители гетероструктур, состоящих из титаната стронция, покрытого гамма-оксидом алюминия или аморфным алюминатом лантана, измеряют при различных температурах отжига. Наиболее быстрое снижение проводимости наблюдалось для аморфных гетероструктур алюмината лантана, титаната стронция.Для гетероструктур титаната стронция плотность носителей контролируется путем управления отжигом и кислородом. Последовательные этапы отжига приводят к неуклонному снижению плотности носителей и переходу от металлической проводящей к изолирующей границе. Изменение проводящего состояния в гетероструктуре титаната стронция может привести к различным свойствам.Здесь попытки написать нанопроволоки с помощью проводящего атомно-силового микроскопа были невозможны до отжига. Однако после отжига проводящие линии могут быть записаны и стерты на границе раздела. Используя этот подход, мы можем систематически изменять магнитные и электронные свойства оксидных гетероструктур и таким образом изучать роль кислородных вакансий в определении этих свойств.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

Атомно шаблонов, для эпитаксиального роста сложного оксида тонких пленок

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

Тюнинг параллельного Колонка сегментированные потока и включение мультиплексированных обнаружения

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

Фотохимические Окислительный Рост Iridium наночастиц оксида на CdSe @ CdS наностержней

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</sub&gt; -покрытие полые стеклянные микросферы с высокой супергидрофобных и ИК-отражающими свойствами синтезирован методом мягкого химии

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

Аэрозоль помощь химического осаждения паров окиси металла структур: оксид цинка стержней

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

Изготовление сферических и червь образный мицеллярный нанокристаллов путем объединения электроспрей, самостоятельной сборки и на основе растворителей структуры управления

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

Синтез, кристаллизации и спектральные характеристики 3,5-Lutidine N-оксид дигидрат

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

Свойств поверхности синтезированных нанопористого углерода и кремния матрицы

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

Расплавленной соли синтеза наночастиц сложных оксидов металлов

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 фильм подготовка через UO2 осаждения путем распыления постоянного тока и последовательных окисления и сокращения с атомарного кислорода и атомарного водорода

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 ...