Граница между алюминатом лантана (LaAlO3) и титанатом стронция (SrTiO3) представляет собой примечательную границу раздела материалов, поскольку она проявляет свойства, отсутствующие у составляющих ее материалов. По отдельности LaAlO3 и SrTiO3 являются немагнитными изоляторами, однако границы раздела LaAlO3/SrTiO3 могут проявляться электрическая металлическая проводимость, сверхпроводимость, ферромагнетизм, большое отрицательное магнитосопротивление в плоскости и гигантская постоянная фотопроводимость. Изучение того, как эти свойства проявляются на границе раздела LaAlO3/SrTiO3, является растущей областью исследований в физике конденсированного состояния.
Эмерджентные свойства
Проводимость
При правильных условиях интерфейс LaAlO3/SrTiO3 является электропроводным, как металл. Угловая зависимость осцилляций Шубникова–де Гааза указывает на то, что проводимость двумерна, что заставляет многих исследователей называть ее двумерным электронным газом (2DEG). Двумерность не означает, что проводимость имеет нулевую толщину, а скорее то, что электроны ограничены движением только в двух направлениях. Иногда ее также называют двумерной электронной жидкостью (2DEL), чтобы подчеркнуть важность межэлектронных взаимодействий.
Условия, необходимые для проводимости
Не все интерфейсы LaAlO3/SrTiO3 являются проводящими. Обычно проводимость достигается только тогда, когда:
Проводимость также может быть достигнута, когда SrTiO3 легирован кислородными вакансиями; однако в этом случае интерфейс технически представляет собой LaAlO3/SrTiO3−x вместо LaAlO3/SrTiO3.
Гипотезы проводимости
Источник проводимости на интерфейсе LaAlO3/SrTiO3 обсуждается уже много лет. SrTiO3 — это широкозонный полупроводник, который может быть легирован n-типом различными способами. Выяснение механизма, лежащего в основе проводимости, является основной целью текущих исследований. Четыре основные гипотезы:
Полярное стробирование
Полярное затворение было первым механизмом, использованным для объяснения проводимости на интерфейсах LaAlO3/SrTiO3. Он постулирует, что LaAlO3, который является полярным в направлении 001 (с чередующимися слоями положительного и отрицательного заряда), действует как электростатический затвор на полупроводниковом SrTiO3. Когда слой LaAlO3 становится толще трех элементарных ячеек, его энергия валентной зоны поднимается выше уровня Ферми, в результате чего на внешней поверхности LaAlO3 образуются дырки (или положительно заряженные вакансии кислорода). Положительный заряд на поверхности LaAlO3 притягивает отрицательный заряд к близлежащим доступным состояниям. В случае интерфейса LaAlO3/SrTiO3 это означает, что электроны накапливаются на поверхности SrTiO3, в d-зонах Ti.
Сильные стороны гипотезы полярного затвора в том, что она объясняет, почему для проводимости требуется критическая толщина в четыре элементарных ячейки LaAlO3, и что она объясняет, почему для проводимости требуется, чтобы SrTiO3 был оканчен TiO2. Гипотеза полярного затвора также объясняет, почему легирование LaAlO3 увеличивает критическую толщину для проводимости.
Одной из слабостей гипотезы является то, что она предсказывает, что пленки LaAlO3 должны демонстрировать встроенное электрическое поле; до сих пор эксперименты по рентгеновской фотоэмиссии и другие эксперименты показали мало или вообще не показали встроенного поля в пленках LaAlO3. Гипотеза полярного затвора также не может объяснить, почему Ti3+ обнаруживается, когда пленки LaAlO3 тоньше критической толщины для проводимости.
Гипотезу полярных ворот иногда называют гипотезой полярной катастрофы, намекая на контрфактический сценарий, в котором электроны не накапливаются на границе раздела, а вместо этого напряжение в LaAlO3 накапливается навсегда. Гипотезу также называют гипотезой электронной реконструкции, подчеркивая тот факт, что электроны, а не ионы, движутся, чтобы компенсировать напряжение в здании.
Вакансии кислорода
Другая гипотеза состоит в том, что проводимость обеспечивается свободными электронами, оставленными кислородными вакансиями в SrTiO3. Известно, что SrTiO3 легко легируется кислородными вакансиями, поэтому изначально эта гипотеза считалась многообещающей. Однако измерения спектроскопии потерь энергии электронов ограничили плотность кислородных вакансий значительно ниже плотности, необходимой для получения измеренных плотностей свободных электронов.
Другая предполагаемая возможность заключается в том, что кислородные вакансии на поверхности LaAlO3 удаленно легируют SrTiO3. В общих условиях роста могут сосуществовать несколько механизмов. Систематическое исследование в широком пространстве параметров роста продемонстрировало различную роль, которую играют образование кислородных вакансий и полярное запирание на разных границах раздела. Очевидная разница между кислородными вакансиями и полярным вентилированием при создании межфазной проводимости заключается в том, что носители кислородных вакансий термически активируются, поскольку донорный уровень кислородных вакансий обычно отделяется от зоны проводимости SrTiO3, следовательно, проявляя эффект вымораживания носителей при низких температурах; напротив, носители, возникающие из полярного затвора, переходят в зону проводимости SrTiO3 (орбитали Ti 3d) и, следовательно, вырождаются.
Смешивание
Лантан является известной легирующей примесью в SrTiO3, поэтому было высказано предположение, что La из LaAlO3 смешивается с SrTiO3 и легирует его n-типом. Многочисленные исследования показали, что смешивание происходит на интерфейсе; однако неясно, достаточно ли смешивания, чтобы обеспечить все свободные носители. Например, перевернутый интерфейс между пленкой SrTiO3 и подложкой LaAlO3 является изолирующим.
Структурные искажения
Четвертая гипотеза заключается в том, что кристаллическая структура LaAlO3 претерпевает октаэдрические вращения в ответ на деформацию SrTiO3. Эти октаэдрические вращения в LaAlO3 вызывают октаэдрические вращения в SrTiO3, увеличивая ширину d-зоны Ti достаточно, чтобы электроны больше не были локализованы.
Сверхпроводимость
Сверхпроводимость была впервые обнаружена в интерфейсах LaAlO3/SrTiO3 в 2007 году с критической температурой ~200 мК. Как и проводимость, сверхпроводимость, по-видимому, является двумерной.
Ферромагнетизм
Намеки на ферромагнетизм в LaAlO3/SrTiO3 были впервые замечены в 2007 году, когда голландские исследователи наблюдали гистерезис в магнитосопротивлении LaAlO3/SrTiO3. Последующие измерения с помощью крутящей магнитометрии показали, что магнетизм в LaAlO3/SrTiO3 сохранялся вплоть до комнатной температуры. В 2011 году исследователи из Стэнфордского университета использовали сканирующий SQUID для прямого отображения ферромагнетизма и обнаружили, что он возникал в неоднородных участках. Как и проводимость в LaAlO3/SrTiO3, магнетизм появлялся только тогда, когда пленки LaAlO3 были толще нескольких элементарных ячеек. Однако, в отличие от проводимости, магнетизм наблюдался как на поверхностях с концевыми ионам SrO, так и на поверхностях с концевыми ионам TiO2.
Открытие ферромагнетизма в системе материалов, которые также являются сверхпроводниками, вызвало шквал исследований и дискуссий, поскольку ферромагнетизм и сверхпроводимость почти никогда не сосуществуют вместе. Ферромагнетизм требует, чтобы спины электронов выровнялись, в то время как сверхпроводимость обычно требует, чтобы спины электронов выровнялись.
Магнитосопротивление
Измерения магнитосопротивления являются основным экспериментальным инструментом, используемым для понимания электронных свойств материалов. Магнитосопротивление интерфейсов LaAlO3/SrTiO3 использовалось для выявления двумерной природы проводимости, концентраций носителей (через эффект Холла), подвижности электронов и многого другого.
Поле, применяемое вне плоскости
При слабом магнитном поле магнитосопротивление LaAlO3/SrTiO3 является параболическим в зависимости от поля, как и ожидалось для обычного металла. Однако при более сильных полях магнитосопротивление, по-видимому, становится линейным в зависимости от поля. Линейное магнитосопротивление может иметь много причин, но до сих пор нет научного консенсуса о причине линейного магнитосопротивления в интерфейсах LaAlO3/SrTiO3. Линейное магнитосопротивление также было измерено в чистых кристаллах SrTiO3, поэтому оно может быть не связано с возникающими свойствами интерфейса.
Полевое приложение в плоскости
При низкой температуре (T < 30 K) интерфейс LaAlO3/SrTiO3 проявляет отрицательное магнитосопротивление в плоскости, иногда достигающее -90%. Большое отрицательное магнитосопротивление в плоскости приписывается усиленному спин-орбитальному взаимодействию интерфейса.
Распределение электронного газа на границе LaAlO3/SrTiO3
Экспериментально профиль плотности заряда электронного газа на интерфейсе LaAlO3/SrTiO3 имеет сильно асимметричную форму с быстрым начальным затуханием в течение первых 2 нм и выраженным хвостом, который простирается примерно до 11 нм. Широкий спектр теоретических расчетов подтверждает этот результат. Важно, что для получения распределения электронов необходимо учитывать зависящую от поля диэлектрическую проницаемость SrTiO3.
Сравнение с другими двумерными электронными газами
Двумерный электронный газ, возникающий на интерфейсе LaAlO3/SrTiO3, примечателен по двум основным причинам. Во-первых, он имеет очень высокую концентрацию носителей, порядка 1013 см−2. Во-вторых, если гипотеза полярного стробирования верна, двумерный электронный газ имеет потенциал быть полностью свободным от беспорядка, в отличие от других двумерных электронных газов, для образования которых требуется легирование или стробирование. Однако до сих пор исследователям не удалось синтезировать интерфейсы, которые реализуют обещание низкого беспорядка.
Методы синтеза
Большинство интерфейсов LaAlO3/SrTiO3 синтезируются с использованием импульсного лазерного осаждения. Мощный лазер аблирует мишень LaAlO3, и струя выброшенного материала осаждается на нагретую подложку SrTiO3. Типичные используемые условия:
Некоторые интерфейсы LaAlO3/SrTiO3 также были синтезированы методами молекулярно-лучевой эпитаксии, распыления и осаждения атомных слоев.
Похожие интерфейсы
Чтобы лучше понять интерфейс LaAlO3/SrTiO3, исследователи синтезировали ряд аналогичных интерфейсов между другими полярными перовскитными пленками и SrTiO3. Некоторые из этих аналогов обладают свойствами, похожими на LaAlO3/SrTiO3, но некоторые — нет.
Проводящие интерфейсы
Изолирующие интерфейсы
Приложения
По состоянию на 2015 год не существует коммерческих приложений интерфейса LaAlO3/SrTiO3. Однако были предложены спекулятивные приложения, включая полевые устройства, датчики, фотодетекторы и термоэлектрики;
связанный LaVO3/SrTiO3 является функциональным солнечным элементом, хотя до сих пор с низкой эффективностью.