[논문 리뷰] Reversible and Persistent Photoconductivity at the NdGaO3/SrTiO3 Conducting Interface

U. Scotti di Uccio, C. Aruta외 11명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 22.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 펄스형 불연속성으로 인해 이중층 전자 기수(2DEG)가 형성되는 NdGaO3/SrTiO3 산화물 계면에서 가역적이고 지속적인 광전도성을 입증한다. 원자 해상도 EELS 및 전기적 측정을 통해 저에너지 광자 조사 시 고저항 샘플에서 거대한 지속 광전도 효과가 발생하고, 실온 이하에서의 이동도는 증가하지만 실내 운반자 농도는 증가하지 않음을 확인하여, 전적으로 퍼보스카이트 산화물 이중구조에서 고유한 전하 역학이 존재함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• NdGaO3/SrTiO3 계면에서 형성되는 이중층 전자 기수의 형성 및 운반성질을 조사하는 것.
• 이 전적으로 퍼보스카이트 이중구조에서 광전도성의 기원을 저에너지 조명 조건 하에서 탐색하는 것.
• 전자 이동도 및 광응답 측면에서 잘 알려진 LaAlO3/SrTiO3 시스템과의 비교를 통한 NdGaO3/SrTiO3의 특성 분석.
• 지속 광전도성이 결함 상태에서 기인하는지 또는 고유한 계면 메커니즘에 기인하는지 규명하는 것.

제안 방법

• Pulsed laser deposition를 통해 에피택셜 NdGaO3 박막을 SrTiO3 기판에 성장시켰다.
• 계면 근처 타이타늄 3d 오비탈의 전자 공간적 국소화를 분석하기 위해 원자 해상도 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 사용하였다.
• 다양한 조건에서의 운반자 농도 및 이동도 분석을 위해 전기적 운반성 측정을 수행하였다.
• SrTiO3의 금역대 너머인 광자 조사(에너지가 약 3.2 eV) 조건 하에서 광전도성을 측정하였다.
• 지속 광전도 효과를 연구하기 위해 최적화되지 않은 조건에서 샘플을 제작하여 저항성을 높였다.
• LaAlO3/SrTiO3 시스템과의 비교 분석을 통해 계면 전자 행동의 유사점과 차이점을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NdGaO3/SrTiO3 계면은 LaAlO3/SrTiO3와 유사한 이중층 전자 기수를 지닌다 할 수 있는가?
• RQ2 저에너지 광자 조사가 NdGaO3/SrTiO3 계면의 전기적 성질을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 실내 운반자 농도 변화 없이도 고저항 NdGaO3/SrTiO3 샘플에서 지속 광전도성이 발생하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 계면 전자는 공간적으로 어떻게 국소화되어 있으며, 그 전자 구조는 어떠한가?
• RQ5 관측된 가역적이고 지속적인 광전도 효과의 배경이 되는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• NdGaO3/SrTiO3 계면에서 이동 가능한 전자로 구성된 금속성 박막이 형성되며, 그 전자적 성질은 LaAlO3/SrTiO3 시스템과 유사하다.
• 전자들은 계면에서 몇 개의 단위세포 내에서 국소화되어 있으며, 원자 해상도 EELS를 통해 주로 타이타늄 3d 오비탈을 占거하고 있음이 확인되었다.
• SrTiO3 금역대 이하의 광자 조사 시 운반자 농도는 증가하지 않지만, 저온에서의 전자 이동도는 향상된다.
• 저에너지 조명 조건 하에서 고저항 샘플에서 거대한 지속 광전도 효과가 관측되어 장수명 전하 운반자가 존재함을 시사한다.
• 지속 광전도 효과는 자유 운반자 자극이 아닌 결함 유도 포획 또는 고유한 계면 메커니즘에 기인한다.
• 결과적으로, NdGaO3/SrTiO3 시스템은 산화물 이중구조에서 계면 전도성 및 옵티오일렉트로닉 현상을 연구하는 데 유망한 플랫폼임을 시사한다.