[論文レビュー] Reversible and Persistent Photoconductivity at the NdGaO3/SrTiO3 Conducting Interface

U. Scotti di Uccio, C. Aruta+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2012

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、極性不連続性により二次元電子ガスが形成されるNdGaO3/SrTiO3酸化物界面において、逆転可能で持続的な光伝導が実証された。原子分解能EELSおよび電気的測定を用いて、低エネルギー光子照射が高抵抗性試料において巨大な持続的光伝導効果を誘発することを示した。また、キャリア密度を増加させることなく低温での移動度を向上させることで、完全なペロブスカイト酸化物ヘテロ構造における特異な電荷ダイナミクスが浮き彫りになった。

ABSTRACT

The interface between the band gap insulators LaAlO3 and SrTiO3 is known to host a highly mobile two-dimensional electron gas. Here we report on the fabrication and characterization of the NdGaO3/SrTiO3 interface, that shares with LaAlO3/SrTiO3 an all-perovskite structure, the insulating nature of the single building block and the polar-non polar character. Our work demonstrates that in NdGaO3/SrTiO3 a metallic layer of mobile electrons is formed, with properties comparable to LaAlO3/SrTiO3. The localization of the injected electrons at the Ti sites, within a few unit cells from the interface, was proved by Atomic-scale-resolved EELS analyses. The electric transport and photoconduction of samples were also investigated. We found that irradiation by photons below the SrTiO3 gap does not increase the carrier density, but slightly enhances low temperature mobility. A giant persistent photoconductivity effect was instead observed, even under irradiation by low energy photons, in highly resistive samples fabricated at non-optimal conditions. We discuss the results in the light of different mechanisms proposed for the two-dimensional electron gas formation. Both the ordinary and the persistent photoconductivity in these systems are addressed and analyzed.

研究の動機と目的

• NdGaO3/SrTiO3界面における二次元電子ガスの形成および輸送特性を調査すること。
• 特に低エネルギー照明下におけるこの完全ペロブスカイトヘテロ構造における光伝導の起源を明らかにすること。
• 電子移動度および光応答の観点から、NdGaO3/SrTiO3とよく知られたLaAlO3/SrTiO3系の比較を行うこと。
• 持続的光伝導が欠陥状態に起因するのか、あるいは内在的な界面メカニズムに起因するのかを特定すること。

提案手法

• 脈動レーザー蒸着法を用いて、SrTiO3基板上にエピタキシャルNdGaO3薄膜を成長させた。
• 界面近傍のTi 3d軌道における電子の空間的局在を調べるため、原子スケールの電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いた。
• キャリア密度および移動度の分析のため、さまざまな条件下での電気的輸送測定を実施した。
• SrTiO3のバンドギャップ（Eg ≈ 3.2 eV）未満の光子による照射下で光伝導を測定した。
• 持続的光伝導効果を研究するため、抵抗率を高めるように非最適な条件下で試料を作製した。
• LaAlO3/SrTiO3系との比較分析を通じて、界面における電子行動の類似点および相違点を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdGaO3/SrTiO3界面は、LaAlO3/SrTiO3系と同様に二次元電子ガスを支持するか？
• RQ2 低エネルギー光子照射がNdGaO3/SrTiO3界面の電気的特性に果たす役割は何か？
• RQ3 キャリア密度に変化がないにもかかわらず、高抵抗性NdGaO3/SrTiO3試料で持続的光伝導が発生するのはなぜか？
• RQ4 界面電子は空間的にどのように局在しているのか、そしてその電子配置は何か？
• RQ5 観察された逆転可能で持続的な光伝導効果の背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• NdGaO3/SrTiO3界面に、LaAlO3/SrTiO3系と同等の電子的性質を示す金属的性質の移動性電子層が形成された。
• EELSによる原子スケールの確認により、電子は界面から数ユニットセルの範囲に局在しており、主にTi 3d軌道に占有されていることが判明した。
• SrTiO3のバンドギャップ未満の光子照射はキャリア密度を増加させないが、低温での電子移動度を向上させた。
• 低エネルギー照射下で高抵抗性試料において巨大な持続的光伝導効果が観察され、長寿命の電荷キャリアが存在することが示された。
• 持続的光伝導効果は、自由キャリア励起ではなく、欠陥を介したトラップまたは内在的な界面メカニズムに起因するとされた。
• 本結果は、NdGaO3/SrTiO3系が、酸化物ヘテロ構造における界面導電性およびオプトエレクトロニクス現象を研究する上で有望なプラットフォームである可能性を示唆している。