Ny forskning viser, hvordan man studerer lave koncentrationer af elektroner i komplekse oxidfilm

Halvledere i moderne elektronik er afhængige af små mængder af tilsatte urenhedselementer, kaldet dopanter, som ændrer materialets evne til at lede elektricitet. Selvom disse dopanters rolle ofte er ligetil, er det ikke altid tilfældet. Elektroner fra dopingstoffer i komplekse oxider kan opføre sig på måder, der er væsentligt anderledes end dem i konventionelle halvledere, såsom silicium.

Forskere, der studerer, hvad der sker i disse materialer, stoler typisk på fotoelektronspektroskopi, som måler elektroner slået ud af atomer af højenergiske lysbølger. Imidlertid kræver denne teknik, at atomet af interesse er til stede ved eller over en procent af materialet for et detekterbart signal. Doteringsstofferne i mange halvledere er langt under disse niveauer, hvilket gør det udfordrende at indhente data om dem.

En ny undersøgelse offentliggjort i Physical Review Materials bruger røntgenbaseret resonansfotoemissionsspektroskopi til at se på elektroner i let doteret strontiumtitaniumoxid på silicium (STO/Si). Forskere var i stand til at undersøge og identificere de forskellige placeringer og energier af elektroner fra det primære dopingmiddel i STO/Si. Doteringsniveauet var i tusindedele af en procent – ​​væsentligt lavere, end det kan studeres ved brug af konventionel fotoelektronspektroskopi.

I STO/Si-systemet kan "frie" og mobile elektroner være en af ​​tre primære typer. Dette inkluderer dem i STO-filmen fra det primære STO-doteringsmiddel, dem fra STO-doteringsmidlet, der bliver fanget ved overfladen af ​​STO-filmen, og dem, der hopper fra silicium-doteringsmidlet ind i STO. I dette nye arbejde var forskerne i stand til at se forskelle mellem dopantelektrontilstandene i STO.

Forstå nuancerne af elektroner

I de undersøgte STO-lag er doteringsmidlet ikke et nyt atom tilføjet til materialet, men et atom (ilt), der mangler i materialet. Disse ilttomheder efterlader to elektroner, der kan lede elektricitet. Disse to elektroner kan dog også interagere stærkt med hinanden, hvilket skaber en mere kompliceret elektronisk struktur.

Gennem resonans-røntgenfotoemissionsspektroskopi kunne holdet separat undersøge de forskellige tilstande, der indeholder elektronerne fra ilt ledige stillinger. Eksperimentet var designet til kun at undersøge de øverste lag af materialet og undgå de dybere områder, hvor dopantelektronerne fra silicium befinder sig. Dette skaber en tiltrængt forenkling og giver forskerne mulighed for at fokusere specifikt på elektroner fra ilt-vacatures.

Forskerne fandt ud af, at elektronerne fanget ved overfladen har en subtilt anderledes energi end elektronerne, der bevæger sig frit i kroppen af ​​STO. At kende energilandskabet hjælper forskerne med at forstå, hvordan elektronindfangning ved overfladen påvirker den overordnede elektriske ledningsevne af STO.

"Denne tilgang er utrolig kraftfuld," sagde hovedforfatter Scott Chambers, en Laboratory Fellow ved Pacific Northwest National Laboratory. "Vi var i stand til at 'se' de overfladefangede elektroner i STO/Si for første gang. Jeg håber, at andre vil bruge denne tilgang til at undersøge forskellige let dopede halvledere med komplekse elektroniske strukturer."

Arbejdet blev udført i samarbejde med forskere ved University of Texas-Arlington og Diamond Light Source.

Flere oplysninger: S. A. Chambers et al., Undersøgelse af de elektroniske egenskaber af mellemrumstilstande nær overfladen af ​​n−SrTiO3−δ/i−Si(001) heterojunctions med høj følsomhed, Physical Review Materials (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.014602

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory