[論文レビュー] Electrical Properties and Subband Occupancy at the (La,Sr)(Al,Ta)O$_3$/SrTiO$_3$ Interface

Kun Han, Zhen Huang+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、(La,Sr)(Al,Ta)O₃とSrTiO₃からなる高移動度酸化物界面における量子輸送を調査し、準位占有状態とキャリア移動度が量子揺らぎに顕著に寄与することを明らかにした。酸素アニール処理後、3dxy電子のみが残存し、有効質量0.7meを示す可変なShubnikov-de Haas揺らぎを示す一方、酸素欠陋を含まないままの状態（アスグロウン）では、多準位占有のため、高い移動度を示しても揺らぎは観測されない。

ABSTRACT

The quasi two-dimensional electron gas (q-2DEG) at oxide interfaces provides a platform for investigating quantum phenomena in strongly correlated electronic systems. Here, we study the transport properties at the high-mobility (La$_{0.3}$Sr$_{0.7}$)(Al$_{0.65}$Ta$_{0.35}$)O$_{0.3}$/SrTiO$_{0.3}$ (LSAT/STO) interface. Before oxygen annealing, the as-grown interface exhibits a high electron density and electron occupancy of two subbands: higher-mobility electrons ($μ_1\approx{10^4}$ cm$^2$V$^{-1}$s$^{-1}$ at 2 K) occupy the lower-energy $3d_{xy}$ subband, while lower-mobility electrons ($μ_1\approx{10^3}$ cm$^{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$ at 2 K) propagate in the higher-energy $3d_{xz/yz}$-dominated subband. After removing oxygen vacancies by annealing in oxygen, only a single type of 3dxy electrons remain at the annealed interface, showing tunable Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations below 9 T at 2 K and an effective mass of $0.7m_e$. By contrast, no oscillation is observed at the as-grown interface even when electron mobility is increased to $50,000$ cm$^{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$ by gating voltage. Our results reveal the important roles of both carrier mobility and subband occupancy in tuning the quantum transport at oxide interfaces.

研究の動機と目的

• 準位占有状態とキャリア移動度が酸化物2DEGにおける量子輸送に与える影響を理解すること。
• 酸素欠陋が(La,Sr)(Al,Ta)O₃/SrTiO₃界面における電子状態に与える影響を調査すること。
• 複雑な酸化物ヘテロ構造においてShubnikov-de Haas揺らぎが出現する条件を特定すること。
• 高移動度を示しても、多準位系では観測可能な量子揺らぎが得られない理由を明確にすること。

提案手法

• 酸素含有量を制御した(La₀.₃Sr₀.₇)(Al₀.₆₅Ta₀.₃₅)O₃/SrTiO₃ヘテロ構造の作製。
• 酸素アニールを用いて酸素欠陋を除去し、電子構造を改変。
• 低温度での輸送特性測定（ホール効果および磁気抵抗）により、キャリア密度と移動度を抽出。
• Shubnikov-de Haas揺らぎの解析により、有効質量とフェルミ面の位相構造を特定。
• 同一のゲーティング条件下で、アスグロウン状態とアニール処理後の界面の輸送行動を比較。
• 角度依存磁気輸送測定を用いて、3d軌道（xy対 xz/yz）からの準位寄与を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素欠陋濃度は、(La,Sr)(Al,Ta)O₃/SrTiO₃界面における準位占有状態と電子移動度にどのように影響するか？
• RQ2 高い移動度を示すアスグロウン界面の電子では、高移動度にもかかわらず、なぜShubnikov-de Haas揺らぎが観測されないのか？
• RQ3 3d軌道対称性（3dxy 対 3d_xz/yz）が、量子輸送応答を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 酸素アニール処理により、電子構造がどのように変化し、観測可能な量子揺らぎが可能になるか？
• RQ5 アニール処理後の界面における主要な電子集団の有効質量は何か？

主な発見

• 酸素アニール処理前の状態では、2つの準位が占有されており、3dxy電子（移動度～10⁴ cm²V⁻¹s⁻¹）と3d_xz/yz支配の電子（移動度～10³ cm²V⁻¹s⁻¹）が存在する。
• 酸素アニール処理後、3dxy電子のみが残存し、測定された有効質量は0.7meであった。
• アニール処理後の界面では、2 Kで9 T未満の磁場でShubnikov-de Haas揺らぎが観測され、明確なフェルミ面が確認された。
• アスグロウン界面では、ゲーティングにより移動度を50,000 cm²V⁻¹s⁻¹まで向上させても、Shubnikov-de Haas揺らぎは観測されなかった。
• アスグロウン状態では、複数の準位が存在するため、高移動度であっても量子揺らぎが抑制される。
• 酸素アニール処理により、酸素欠陋が効果的に除去され、コherentlyな量子輸送を示す単一で明確な準位が形成された。