Sauerstoffmigration an der Heterostrukturgrenze

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NUS-Physiker haben eine Methodik entwickelt, um die Elektromigration von Sauerstoffatomen in den vergrabenen Grenzflächen komplexer Oxidmaterialien zur Konstruktion von hochmobilen Oxidheterostrukturen zu kontrollieren.

Oxidheterostrukturen, die sich aus Schichten verschiedener Oxidmaterialien zusammensetzen, weisen an ihren Grenzflächen einzigartige physikalische Eigenschaften auf, die in der Regel nicht in ihren Mutterverbindungen vorhanden sind. Ein Beispiel ist die Grenzfläche, die einen isolierenden Film aus Lanthanaluminat (LaAlO3, abgekürzt LAO) auf einem isolierenden Strontiumtitanat-Einkristall (SrTiO3, abgekürzt als STO) umfasst. Diese Schnittstelle zeigt verschiedene einzigartige Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit, Magnetismus und zweidimensionale Supraleitung, die in ihren Massenformen nicht beobachtet werden. Es ist bekannt, dass Sauerstoffleerstellen in STO eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung dieser Eigenschaften spielen, insbesondere bei Schnittstellen, die bei Raumtemperatur synthetisiert werden können. Allerdings sind die zugrunde liegenden Mechanismen, die diese emergenten Eigenschaften durch die Sauerstoffleerstellen an der Schnittstelle der beiden verschiedenen Materialien beeinflussen, noch unklar.

Als Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Ariando vom Department of Physics und der Nanoscience and Nanotechnology Initiative (NUSNNI) hat NUS eine neue und einzigartige Technik entwickelt, die auf dem Elektrolyt-Feldeffekt basiert, um die Sauerstoff-Leerstandskonzentration an der Schnittstelle von LAO/STO-Heterostrukturen zu kontrollieren. Sie entdeckten, dass es eine Verbesserung der Elektronenmobilität der Heterostruktur gibt, wenn Sauerstoffleerstellen an der Oxidgrenze besetzt (gefüllt) werden. Dieser Effekt könnte potenziell genutzt werden, um leistungsfähige Halbleiterbauelemente zu konstruieren.

Die Forscher verwendeten einen Elektrolyten als dielektrisches Material auf der LAO/STO-Heterostruktur und legten eine negative Spannung an. Dadurch entsteht ein starkes elektrisches Feld, das die Sauerstoffatome in der LAO-Schicht in das sauerstoffarme STO im Grenzflächenbereich übergehen lässt. Die Konzentration der Sauerstoffleerstellen an der STO-Schnittstelle wird reduziert, was die Energiebandstruktur der Heterostruktur verändert und die Elektronenmobilität erhöht. In diesem Versuchsaufbau wirkt die amorphe LAO-Oberflächenschicht als Barriere und verhindert, dass chemische Reaktionen zwischen der Probenoberfläche und dem Elektrolyten auftreten.

Prof. Ariando sagte: „Unser Ergebnis liefert weitere Hinweise, um den Mechanismus des Elektrolytfeldeffekts zu verstehen, und eröffnet einen neuen Weg für den Bau von hochmobilen Oxidgrenzflächen, die bei Raumtemperatur synthetisiert werden können“.

Mehr Informationen:
S. W. Zeng et al. Sauerstoff-Elektromigration und Energiebandrekonstruktion durch Elektrolytfeldeffekt an Oxidgrenzflächen, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.146802

tekk.tv

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