En motorvej for elektroner i oxidheterostrukturer

NUS-fysikere har udviklet en ny metode til at bestemme virkningen af ​​screeningseffekter på ladningsbærers mobilitet ved grænsefladen af ​​komplekse materialestrukturer.

Oxid heterostrukturer, som er sammensat af lag af forskellige oxidmaterialer, udviser unikke fysiske egenskaber ved deres grænseflader (forbindelse mellem to oxidmaterialer). Disse egenskaber findes ikke i deres moderforbindelser. Et eksempel er oxidheterostrukturen omfattende en film af lanthanaluminat (LaAlO ₃ ) på strontiumtitanat (SrTiO ₃ ), der kan vise både isolerende og ledende egenskaber afhængigt af filmens tykkelse. Når LaAlO ₃ filmtykkelsen øges og bliver til 4 enhedsceller (~20 nm) eller mere, materialeegenskaberne ved grænsefladen ændres brat fra at være elektrisk isolerende til elektrisk ledende (metallisk) med høj elektronmobilitet (elektronernes strømningshastighed). Imidlertid, der er begrænset forståelse for mekanismen bag denne høje elektronmobilitet og de fysiske parametre, der påvirker denne usædvanlige adfærd.

Forskerholdet ledet af Prof Andrivo RUSYDI og Prof ARIANDO, både fra Institut for Fysik og Nanovidenskab og Nanoteknologisk Institut (NUSNNI) NanoCore, NUS har udviklet en ny metode, der involverer en kombination af avancerede måleteknikker (spektroskopisk ellipsometri, synkrotronbaseret blød røntgenabsorptionsspektroskopi og ladningstransportmålinger) for at bestemme indflydelsen af ​​lokaliserede ladninger på elektronernes mobilitet ved oxidgrænsefladen. Disse lokaliserede ladninger kan skærme (eller "skærme") elektroner på en sådan måde, at de ikke "ser" hinanden, reducerer coulomb-afstødningen mellem dem betydeligt. Screening af coulomb-afstødningen hjælper med at reducere korrelationseffekter mellem elektroner. Dette er kendt som "screeningseffekten", og det tillader elektronerne ved grænsefladen at rejse med højere mobilitet. Den nye metode udviklet af NUS-forskerholdet gjorde det muligt for dem at detektere både screenede og uscreenede elektroner, derved kaste lys over, hvordan de dikterer de elektroniske egenskaber af en kompleks oxidheterostruktur, især ved en nedgravet grænseflade.

Forskerne involveret i dette hold har anvendt denne metode på en oxid-heterostruktur, der består af lanthanstrontiumaluminiumtantalat ((La) _0,3 Sr _0,7 )(Al _0,65 Ta _0,35 )O ₃ (LSAT) og SrTiO ₃ . De opdagede tilstedeværelsen af ​​en ny midgap-stat befolket af lokaliserede ladninger (som overføres fra overfladen af ​​LSAT) ved grænsefladen. En midgap-tilstand er en tilstand, der forekommer inden for det optiske båndgab. Interessant nok, de fandt ud af, at en sådan midgap-tilstand er ansvarlig for at bestemme grænsefladens transportegenskaber. Når der er flere lokaliserede gebyrer ved grænsefladen, de mobile elektroner er yderligere afskærmet fra dem i det omgivende bulkmateriale. Dette øger grænsefladeelektronmobiliteten markant.

Forskerne fandt også ud af, at elektronmobiliteten øges med LSAT-lagtykkelsen og er forbundet med en stigning i midgap-tilstanden (med mere lokaliserede ladninger). Den elektroniske screeningseffekt spiller en dominerende rolle i elektronmobilitet ved grænsefladen, hvilket i dette tilfælde resulterede i en forbedring af elektronmobiliteten med mere end 25 gange.

Prof Rusydi sagde, "Vores fund viser vigtigheden af ​​den elektroniske screeningseffekt ved bestemmelse af elektronmobilitet ved grænsefladen af ​​komplekse oxidheterostrukturer. De udviklede eksperimentelle teknikker giver en ny metodologi til at studere egenskaberne af en begravet materialegrænseflade. Med disse nye indsigter, materialeforskere kan udvikle avancerede materialer med unikke egenskaber til nye enhedsfunktioner."