Name: tuning oxide properties by oxygen vacancy control during growth and annealing
Uploaded: 2023-06-09T15:00:00
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Los autores agradecen a J. Geyti de la Universidad Técnica de Dinamarca por su asistencia técnica. F. Trier agradece el apoyo de la beca de investigación VKR023371 (SPINOX) de VILLUM FONDEN. D. V. Christensen agradece el apoyo del Programa NERD de la Fundación Novo Nordisk: New Exploratory Research and Discovery, Subvención Superior NNF21OC0068015.

1. Control de propiedades mediante condiciones de crecimiento variables
<ol><li>Preparación de superficies de alta calidad de SrTiO3
	<ol><li>Compre sustratos SrTiO3 terminados mezclados (por ejemplo, de 5 mm x 5 mm x 0.5 mm de tamaño) con un ángulo de superficie típico de 0.05 ° a 0.2 ° con respecto a los planos de cristal (001). NOTA: El ángulo de corte incorrecto determina la planitud de la superficie, que es importante para el crecimiento epitaxial en el sustrato, as...

<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>

Los métodos descritos aquí se basan en el uso del contenido de oxígeno para controlar las propiedades del óxido, y la presión parcial de oxígeno y la temperatura de funcionamiento son, por lo tanto, parámetros críticos. Si el estado de oxidación total del sistema se ajusta de una manera en la que el sistema permanece en un equilibrio termodinámico con la atmósfera circundante (es decir, cambió elpO2 a alta temperatura), los cambios pueden ser reversibles. Sin embargo, en el caso de heteroestructura...

El contenido de oxígeno juega un papel vital en las propiedades de los materiales de óxido. El oxígeno tiene una alta electronegatividad y, en el límite totalmente iónico, atrae dos electrones de cationes vecinos. Estos electrones se donan a la red cuando se forma una vacante de oxígeno. Los electrones pueden quedar atrapados y formar un estado localizado, o pueden deslocalizarse y ser capaces de conducir una corriente de carga. Los estados localizados se encuentran típicamente en el espacio de banda entre la banda de valencia y la banda de conducción con un momento angular total que puede ser distinto de cero 1,2,3. Los estados localizados pueden, por lo tanto, formar momentos magnéticos localizados y tener un gran impacto en, por ejemplo, las propiedades ópticas y magnéticas 1,2,3. Si los electrones se deslocalizan, contribuyen a la densidad de los portadores de carga itinerantes. Además, si se forma una vacante de oxígeno u otros defectos, la red se adapta al defecto. La presencia de defectos puede, por lo tanto, conducir naturalmente a campos de deformación locales, ruptura de simetría y un transporte electrónico e iónico modificado en óxidos.
Por lo tanto, controlar la estequiometría de oxígeno es a menudo clave para ajustar, por ejemplo, las propiedades ópticas, magnéticas y de transporte de los materiales de óxido. Un ejemplo destacado es el de las heteroestructuras basadas en SrTiO 3 y SrTiO3, donde el estado fundamental de los sistemas materiales es muy sensible al contenido de oxígeno. SrTiO3 no dopado es un aislante no magnético con una banda prohibida de 3,2 eV; sin embargo, al introducir vacantes de oxígeno, SrTiO3 cambia el estado de aislante a conductor metálico con una movilidad de electrones superior a 10,000 cm 2 / Vs a2 K4. A bajas temperaturas (T < 450 mK), la superconductividad puede incluso ser el estado fundamental favorecido 5,6. También se ha encontrado que las vacantes de oxígeno en SrTiO3 lo convierten en ferromagnético7 y dan como resultado una transición óptica en el espectro visible de transparente a opaco2. Durante más de una década, ha habido un gran interés en depositar varios óxidos, como LaAlO 3, CaZrO 3 y γ-Al2O3, en SrTiO 3 y examinar las propiedades que surgen en la interfaz 8,9,10,11,12,13 . En algunos casos, resulta que las propiedades de la interfaz difieren notablemente de las observadas en los materiales principales. Un resultado importante de las heteroestructuras basadas en SrTiO3 es que los electrones pueden confinarse a la interfaz, lo que permite controlar las propiedades relacionadas con la densidad de los electrones itinerantes utilizando la activación electrostática. De esta manera, es posible sintonizar, por ejemplo, la movilidad de electrones 14,15, la superconductividad11, el emparejamiento de electrones16 y el estado magnético 17 de la interfaz, utilizando campos eléctricos.
La formación de la interfaz también permite un control de la química SrTiO 3, donde la deposición de la película superior en SrTiO3 se puede utilizar para inducir una reacción redox a través de la interfaz18,19. Si se deposita una película de óxido con una alta afinidad por el oxígeno en SrTiO 3, el oxígeno puede transferirse de las partes cercanas a la superficie del SrTiO 3 a la película superior, reduciendo así el SrTiO3 y oxidando la película superior (ver Figura 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig01v2.jpg"> Figura 1: Formación de vacantes de oxígeno en SrTiO3. Ilustración esquemática de cómo se forman las vacantes de oxígeno y los electrones en la región cercana a la interfaz de SrTiO3 durante la deposición de una película delgada con una alta afinidad por el oxígeno. Figura reimpresa con permiso de un estudio de Chen et al.18. Copyright 2011 por la American Chemical Society. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58737/58737fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
En este caso, las vacantes de oxígeno y los electrones se forman cerca de la interfaz. Se espera que este proceso sea el origen de la conductividad formada durante la deposición en la interfaz entre SrTiO3 y películas u óxidos metálicos cultivados a temperatura ambiente, como LaAlO 3 18,20 amorfo o γ-Al2O3 10,21,22,23. Por lo tanto, las propiedades de estas interfaces basadas en SrTiO3 son altamente sensibles al contenido de oxígeno en la interfaz.
Aquí, informamos el uso de recocido posterior a la deposición y las variaciones en los parámetros de deposición del láser pulsado para controlar las propiedades en materiales de óxido ajustando el contenido de oxígeno. Utilizamos γ-Al2O3 o LaAlO 3 amorfo depositado en SrTiO3 a temperatura ambiente como ejemplos de cómo la densidad del portador, la movilidad de electrones y la resistencia de la lámina se pueden cambiar en órdenes de magnitud controlando el número de vacantes de oxígeno. Los métodos ofrecen algunos beneficios más allá de los obtenidos con el gating electrostático, que se utiliza típicamente para ajustar las propiedades eléctricas 9,11,14 y, en algunos casos, magnéticas15,17. Estos beneficios incluyen la formación de un estado final (cuasi) estable y evitar el uso de campos eléctricos, que requieren contacto eléctrico con la muestra y pueden causar efectos secundarios.
A continuación, revisamos los enfoques generales para ajustar las propiedades de los óxidos mediante el control del contenido de oxígeno. Esto se hace de dos maneras, a saber, 1) variando las condiciones de crecimiento al sintetizar los materiales de óxido, y 2) recociendo los materiales de óxido en oxígeno. Los enfoques se pueden aplicar para ajustar una gama de propiedades en muchos materiales de óxido y algunos materiales de monóxido. Proporcionamos un ejemplo concreto sobre cómo ajustar la densidad de portadoras en la interfaz de heteroestructuras basadas en SrTiO3. Asegúrese de que se ejerza un alto nivel de limpieza para evitar la contaminación de las muestras (por ejemplo, mediante el uso de guantes, hornos tubulares dedicados a SrTiO3 y pinzas no magnéticas / resistentes a los 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

Las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales de óxido a menudo se pueden controlar variando el contenido de oxígeno. Aquí esbozamos dos enfoques para variar el contenido de oxígeno y proporcionamos ejemplos concretos para ajustar las propiedades eléctricas de las heteroestructuras basadas en SrTiO3. En el primer enfoque, el contenido de oxígeno se controla variando los parámetros de deposición durante una deposición de láser pulsado. En el segundo enfoque, el contenido de oxígeno se ajusta sometiendo las muestras a recocido en oxígeno a temperaturas elevadas después del crecimiento de la película. Los enfoques se pueden utilizar para una amplia gama de óxidos y materiales sin óxido donde las propiedades son sensibles a un cambio en el estado de oxidación.
Los enfoques difieren significativamente del gating electrostático, que a menudo se usa para cambiar las propiedades electrónicas de sistemas electrónicos confinados como los observados en heteroestructuras basadas en SrTiO3. Al controlar la concentración de vacantes de oxígeno, podemos controlar la densidad del portador en muchos órdenes de magnitud, incluso en sistemas electrónicos no confinados. Además, se pueden controlar las propiedades, que no son sensibles a la densidad de los electrones itinerantes.

Control de propiedades mediante condiciones de crecimiento variables La variación de los parámetros de deposición durante la deposición de óxidos puede conducir a un gran cambio en las propiedades, en particular para las heteroestructuras basadas en SrTiO3, como se muestra en la Figura 2.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58737/58737fig2v2...

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Tuning Oxide Properties by Oxygen Vacancy Control During Growth and Annealing

Los materiales de óxido muestran muchas propiedades exóticas que pueden controlarse ajustando el contenido de oxígeno. Aquí, demostramos el ajuste del contenido de oxígeno en óxidos variando los parámetros de deposición de láser pulsado y realizando postrecocido. Como ejemplo, las propiedades electrónicas de las heteroestructuras basadas en SrTiO3 se ajustan mediante modificaciones de crecimiento y recocido.

Ajuste de las propiedades del óxido mediante el control de vacantes de oxígeno durante el crecimiento y el recocido

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

El método presentado aquí permite controlar la cantidad de vacantes de oxígeno en películas delgadas de óxido tanto durante como después de la deposición. Los principales avances de este enfoque es que las propiedades eléctricas y magnéticas se pueden ajustar modificando la cantidad de vacantes de oxígeno. Las vacantes de oxígeno sirven como defectos funcionales en la mayoría de los materiales de óxido, y las propiedades de muchos óxidos pueden, por lo tanto, controlarse sistemáticamente mediante ingeniería de defectos utilizando este enfoque.Demostrando el procedimiento estarán Shinhee, Carlos y Eric, un post-doc y dos estudiantes de doctorado de nuestro laboratorio. Para comenzar, compre sustratos de titanato de estroncio de terminación mixta con un ángulo de superficie típico de 0.05 a 0.2 grados con respecto a los planos cristalinos. Limpie el número deseado de sustratos por ultrasonidos en acetona durante cinco minutos.Luego ultrasonicar los sustratos durante 20 minutos a 70 grados centígrados en agua limpia, que disuelve el óxido de estroncio o forma complejos de hidróxido de estroncio en dominios superficiales terminados con óxido de estroncio, dejando sin cambios los dominios terminados en dióxido de titanio químicamente estables. Mientras tanto, prepare la solución de agua regia agregando lentamente ácido clorhídrico en agua y luego agregando ácido nítrico a la solución. A continuación, ultrasonicar los sustratos en una solución ácida que contenga ácido clorhídrico, ácido nítrico y agua a 70 grados centígrados durante 20 minutos en una campana extractora para grabar selectivamente el óxido de estroncio debido a la naturaleza básica de los dominios superficiales del óxido de estroncio, la acidez del dióxido de titanio y la presencia de los complejos de hidróxido de estroncio.Elimine el ácido residual de los sustratos mediante ultrasonidos en 100 mililitros de agua limpia durante cinco minutos a temperatura ambiente en una campana extractora. Luego hornee los sustratos en una atmósfera de una barra de oxígeno durante una hora a 1, 000 grados centígrados con una velocidad de calentamiento y enfriamiento de 100 grados centígrados por hora en un horno de tubo de cerámica para relajar la superficie del sustrato en un estado con baja energía. Para depositar una película delgada sobre los sustratos, monte los sustratos en un calentador o portador de virutas, dependiendo de si se deben realizar mediciones de transporte de NC2 durante la deposición.A continuación, coloque el sustrato terminado en dióxido de titanio a 4,7 centímetros del objetivo de alúmina cristalina única para una deposición típica de alúmina gamma en titanato de estroncio a temperatura ambiente. Prepárese para la ablación desde un solo objetivo de alúmina cristalina en una presión de oxígeno de 10 a la potencia menos cinco milibares. Ajuste las propiedades utilizando el contenido de oxígeno utilizando una presión de deposición de oxígeno en el rango de 10 a la potencia menos seis a 0,1 milibares, o variando otros parámetros de deposición.Después de la incubación, observe el sustrato para el espesor deseado de la deposición de alúmina gamma. A continuación, retire la muestra de la cámara de deposición y detenga cualquier medición eléctrica. Luego almacene la muestra en el vacío.La degradación de la muestra es más lenta cuando se almacena al vacío o en nitrógeno. Monte la muestra en un portachips con pasta de plata. Luego, conecte eléctricamente la muestra al portador de chips utilizando la unión de alambre de cuña de cables de aluminio en la geometría de Van der Pauw.A continuación, coloque el portador de chips con la muestra en un horno cerrado. Luego, utilizando un conector y cables con aislamiento térmicamente resistente, conecte eléctricamente el portador de chips al equipo de medición y comience las mediciones de resistencia de la hoja. Luego coloque el portador de viruta equipado con la muestra en un horno cerrado y enjuague completamente con el gas utilizado para el recocido mientras verifica si la resistencia de la muestra es sensible a un cambio en la atmósfera.Analice la muestra utilizando el perfil de recocido deseado, dependiendo del grosor de la película superior y la velocidad deseada de incorporación de oxígeno. Anule el recocido cuando se haya producido un cambio deseado en la resistencia de la hoja. Usando esta configuración, el desarrollo de la resistencia de la lámina en heteroestructuras de óxido como el titanato de estroncio de alúmina gamma y el titanato de estroncio de aluminato de lantano se puede monitorear in situ durante la deposición por láser pulsado.Cuando se cambia el entorno de medición midiendo ex situ o mediante lavado de oxígeno in situ, se pueden observar cambios significativos en la resistencia de la lámina de las heteroestructuras basadas en titanato de estroncio. En muestras donde la alúmina gamma se deposita en el titanato de estroncio, la movilidad de los electrones permanece prácticamente sin cambios a temperatura ambiente, pero cambia drásticamente a dos Kelvin cuando se varía la presión de deposición. Las propiedades de las heteroestructuras de óxido también se pueden ajustar después de la deposición mediante recocido.El estado final está determinado por el tiempo de recocido y la temperatura y atmósfera de recocido. Los conductores de láminas de heteroestructuras compuestas de titanato de estroncio cubierto con alúmina gamma o aluminato de lantano amorfo se miden a varias temperaturas de recocido. La disminución más rápida en la conductancia se observó para las heteroestructuras de titanato de estroncio de aluminato de lantano amorfo.Para las heteroestructuras de titanato de estroncio, la densidad del portador se controla controlando el recocido y el oxígeno. Los pasos consecutivos de recocido dan como resultado una disminución constante de la densidad del portador y una transición de una interfaz conductora metálica a una interfaz aislante. Cambiar el estado conductor en la heteroestructura de titanato de estroncio puede permitir diferentes propiedades.Aquí, los intentos de escribir nanocables usando un microscopio conductor de fuerza atómica no eran posibles antes del recocido. Sin embargo, después del recocido, las líneas conductoras se pueden escribir y borrar en la interfaz. Usando este enfoque, podemos cambiar sistemáticamente las propiedades magnéticas y electrónicas de las heteroestructuras de óxido, y de esta manera, estudiar el papel de las vacantes de oxígeno en la determinación de estas propiedades.

Research

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Chemistry

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Fotoquímico oxidativo Crecimiento de iridio nanopartículas de óxido de CdSe @ CdS Nanorods

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

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TiO<sub&gt; 2</sub&gt; Recubiertas con microesferas de vidrio huecas con propiedades superhidrófobas y alta IR-reflectantes sintetizado por un método de química suave

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