[論文レビュー] Electronically coupled complementary interfaces between perovskite band insulators

Mark Huijben, Guus Rijnders+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2006

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 6被引用数 225

ひとこと要約

本研究では、SrTiO3-LaAlO3多層異質構造において、原子スケールでの積層順序の制御が可能である電子的結合を有する補完的界面を示している。定量的透過電子顕微鏡を用いて、約2.3 nm（6個のペロブスカイト単位セル）未塔の間隔では界面導電性およびキャリア密度が低下するが、サブナノメートル間隔であっても高い電子移動度が維持されることを同定した。

ABSTRACT

Perovskite oxides exhibit a plethora of exceptional electronic properties, providing the basis for novel concepts of oxide-electronic devices. The interest in these materials is even extended by the remarkable characteristics of their interfaces. Studies on single epitaxial connections between the two wide-bandgap insulators LaAlO3 and SrTiO3 have revealed them to be either high-mobility electron conductors or insulating, depending on the atomic stacking sequences. In the latter case they are conceivably positively charged. For device applications, as well as for basic understanding of the interface conduction mechanism, it is important to investigate the electronic coupling of closely-spaced complementary interfaces. Here we report the successful realization of such electronically coupled complementary interfaces in SrTiO3 - LaAlO3 thin film multilayer structures, in which the atomic stacking sequence at the interfaces was confirmed by quantitative transmission electron microscopy. We found a critical separation distance of 6 perovskite unit cell layers, corresponding to approximately 2.3 nm, below which a decrease of the interface conductivity and carrier density occurs. Interestingly, the high carrier mobilities characterizing the separate electron doped interfaces are found to be maintained in coupled structures down to sub-nanometer interface spacing.

研究の動機と目的

• 酸化物異質構造における密接に配置された補完的界面間の電子的結合を調査すること。
• 2つのLaAlO3/SrTiO3界面間の距離が界面導電性およびキャリア密度に与える影響を理解すること。
• 電子的結合が界面特性を顕著に変化させるようになる臨界距離を特定すること。
• 小距離でのキャリア密度の低下にもかかわらず、結合界面における高い電子移動度を維持すること。
• 複雑酸化物異質構造における原子的積層順序とマクロな電子的挙動との間の関係を確立すること。

提案手法

• 制御された積層順序を有するエpitaxialなSrTiO3-LaAlO3薄膜多層膜の成長。
• 各界面における原子的積層を直接像像し確認するための定量的透過電子顕微鏡（TEM）の使用。
• 界面間隔の関数としての界面導電性およびキャリア密度の測定。
• 輸送測定を用いた結合界面における電子移動度の分析。
• 導電性抑制の発現に伴う臨界間隔距離の定義。
• 構造的データ（TEM）と電子的輸送データの相関をとることで、構造-性質関係を確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面間隔が補完的LaAlO3/SrTiO3界面の導電性に与える影響は何か？
• RQ2 2つの界面間の電子的結合がその電子的性質を顕著に変化し始める距離はどの程度か？
• RQ3 キャリア密度が低下するにもかかわらず、結合界面で高い電子移動度を維持できるか？
• RQ4 界面における原子的積層順序が酸化物異質構造の電子的挙動に与える影響は何か？
• RQ5 結合酸化物界面における界面電荷蓄積および静電的スクリーニングの役割は何か？

主な発見

• 界面導電性およびキャリア密度が顕著に低下する臨界間隔距離として約2.3 nm（6個のペロブスカイト単位セル）が特定された。
• 孤立したLaAlO3/SrTiO3界面に特徴的な高い電子移動度が、サブナノメートル間隔であっても結合構造においても維持された。
• 定量的透過電子顕微鏡により、各界面における原子的積層順序が確認され、構造モデルの妥当性が裏付けられた。
• 小間隔での導電性の抑制は、強い電子的結合および可能性のある界面電荷再配分を示唆している。
• 結果から、層厚および積層の精密制御により、補完的界面間の電子的結合を設計可能であることが示された。
• これらの発見は、原子スケールでの異質構造設計によって、調整可能な界面導電性を有する酸化物ベース電子素子の設計が可能であることを支持する。