Figuren illustrerar vikten av stark (elektronisk) screening för att bestämma elektronmobiliteten vid gränsytan mellan oxidheterostrukturer. Den betydande förbättringen av elektronmobilitet kan möjliggöra utvecklingen av nya enheter. Kredit:Andrvo Rusydi och Xiao CHI
NUS-fysiker har utvecklat en ny metod för att bestämma effekten av screeningeffekter på laddningsbärares rörlighet vid gränssnittet av komplexa materialstrukturer.
Oxidheterostrukturer, som är sammansatta av lager av olika oxidmaterial, uppvisar unika fysikaliska egenskaper vid sina gränssnitt (övergång mellan två oxidmaterial). Dessa egenskaper finns inte i deras moderföreningar. Ett exempel är oxidheterostrukturen som består av en film av lantanaluminat (LaAlO 3 ) på strontiumtitanat (SrTiO 3 ) som kan visa både isolerande och ledande egenskaper beroende på filmens tjocklek. När LaAlO 3 filmtjockleken ökas och blir 4 enhetsceller (~20 nm) eller mer, materialegenskaperna vid gränssnittet ändras abrupt från att vara elektriskt isolerande till elektriskt ledande (metalliska) med hög elektronrörlighet (hastigheten på elektronernas flöde). Dock, det finns begränsad förståelse för mekanismen för denna höga elektronmobilitet och de fysiska parametrarna som påverkar detta ovanliga beteende.
Forskargruppen leds av Prof Andrivo RUSYDI och Prof ARIANDO, både från Institutionen för fysik och nanovetenskap och Nanoteknikinstitutet (NUSNNI) NanoCore, NUS har utvecklat en ny metodik som involverar en kombination av avancerade mättekniker (spektroskopisk ellipsometri, synkrotronbaserad mjuk röntgenabsorptionsspektroskopi och laddningstransportmätningar) för att bestämma inverkan av lokaliserade laddningar på elektronernas rörlighet vid oxidgränsytan. Dessa lokaliserade laddningar kan skärma (eller "skärma") elektroner på ett sådant sätt att de inte "ser" varandra, vilket avsevärt minskar coulombavstötningen mellan dem. Screening av coulomb-repulsionen hjälper till att minska korrelationseffekterna mellan elektroner. Detta är känt som "screeningseffekten" och det tillåter elektronerna vid gränssnittet att resa med högre rörlighet. Den nya metoden som utvecklats av NUS forskarteam gjorde det möjligt för dem att detektera både screenade och oskärmade elektroner, därigenom kastar ljus över hur de dikterar de elektroniska egenskaperna hos en komplex oxidheterostruktur, särskilt vid ett nedgrävt gränssnitt.
Forskarna som är involverade i detta team har tillämpat denna metod på en oxidheterostruktur som består av lantanstrontiumaluminiumtantalat ((La 0,3 Sr 0,7 )(Al 0,65 Ta 0,35 )O 3 (LSAT) och SrTiO 3 . De upptäckte närvaron av ett nytt mellanrumstillstånd befolkat av lokaliserade laddningar (som överförs från ytan av LSAT) vid gränssnittet. Ett mellangapstillstånd är ett tillstånd som inträffar inom det optiska bandgapet. Intressant, de fann att ett sådant mellanrumstillstånd är ansvarigt för att bestämma gränssnittets transportegenskaper. När det finns fler lokaliserade avgifter vid gränssnittet, de mobila elektronerna är ytterligare avskärmade från de i det omgivande bulkmaterialet. Detta ökar gränssnittselektronernas rörlighet avsevärt.
Forskarna fann också att elektronrörligheten ökar med LSAT-skikttjockleken och är associerad med en ökning av mellangaptillståndet (med mer lokaliserade laddningar). Den elektroniska screeningseffekten spelar en dominerande roll i elektronmobilitet vid gränssnittet, vilket i detta fall resulterade i en förbättring av elektronrörligheten med mer än 25 gånger.
Prof Rusydi sa, "Vårt fynd visar vikten av den elektroniska screeningseffekten för att bestämma elektronmobilitet vid gränssnittet av komplexa oxidheterostrukturer. De experimentella teknikerna som utvecklats ger en ny metodik för att studera egenskaperna hos ett begravt materialgränssnitt. Med dessa nya insikter, materialforskare kan utveckla avancerade material med unika egenskaper för nya enhetsfunktioner."
