[论文解读] The origin of the dead-layer at the La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 interface and dead-layer reduction via interfacial engineering

Rui Peng, Han Xu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 39被引用 38

一句话总结

本研究将La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3异质结构中死层现象的根本原因归因于界面电偶极场诱导的本征氧空位，该现象导致超薄膜中铁磁性和金属性的退化。通过臭氧辅助分子束外延技术在单原子层水平上对界面Sr进行掺杂工程，作者减少了氧空位并抑制了死层，实现了最低至6个单胞的金属性行为——创下最小临界厚度的新纪录。

ABSTRACT

Transition metal oxide hetero-structure has great potential for multifunctional devices. However, the degraded physical properties at interface, known as dead-layer behavior, present a main obstacle for device applications. Here we present the systematic study of the dead-layer behavior in La0.67Sr0.33MnO3 thin film grown on SrTiO3 substrate with ozone assisted molecular beam epitaxy. We found that the evolution of electric and magnetic properties as a function of thickness shows a remarkable resemblance to the phase diagram as a function of doping for bulk materials, providing compelling evidences of the hole depletion in near interface layers that causes dead-layer. Detailed electronic and surface structure studies indicate that the hole depletion is due to the intrinsic oxygen vacancy formation. Furthermore, we show that oxygen vacancies are partly caused by interfacial electric dipolar field, and thus by doping-engineering at the single-atomic-layer level, we demonstrate the dead-layer reduction in films with higher interfacial hole concentration.

研究动机与目标

• 识别La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3（LSMO/STO）异质结构中死层行为的根本原因，该现象限制了器件应用。
• 确定本征缺陷（如氧空位）是否导致空穴耗尽并引发铁磁性和金属性能的退化。
• 探究通过原子层掺杂实现的界面工程是否可抑制氧空位的形成并缓解死层效应。
• 建立一个预测模型，将界面势差、氧空位形成与超薄膜中观测到的相变联系起来。

提出的方法

• 采用臭氧辅助分子束外延（OMBE）在TiO2-terminated SrTiO3衬底上外延生长高质量、化学计量比的LSMO薄膜，实现原子层精度控制。
• 利用原位反射高能电子衍射（RHEED）和X射线反射率实时监测并校准生长过程中的薄膜厚度和表面质量。
• 横截面透射电子显微镜（TEM）证实了超薄薄膜（如7 u.c. LSMO）的外延质量和厚度。
• X射线光电子能谱（XPS）用于分析Mn的价态和O 2p–Mn 3d杂化，揭示了氧空位引起的电子结构变化。
• 通过调节前几层（x1）中的Sr浓度，实现原子层水平的界面Sr掺杂，同时保持薄膜总组分恒定。
• 建立了一个简单模型，将界面势差与氧空位形成联系起来，并通过居里温度和电阻率的实验趋势得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超薄LSMO/STO异质结构中，死层行为的根本原因是什么，特别是铁磁性和金属性在减薄时被抑制的原因？
• RQ2 氧空位在多大程度上导致空穴耗尽并引发电子和磁性性能的退化？
• RQ3 界面电偶极场是否能驱动LSMO/STO界面处本征氧空位的形成？
• RQ4 通过原子尺度的界面Sr掺杂工程是否能减少氧空位并恢复超薄膜中的金属性和铁磁性？
• RQ5 为何即使在氧空位显著减少的电荷静电平衡薄膜中，死层现象仍持续存在？

主要发现

• LSMO/STO异质结构中的死层源于界面电偶极场诱导的本征氧空位，导致近界面层中空穴耗尽。
• 超薄LSMO薄膜的相图与La1-xSrxMnO3的体相随掺杂浓度的变化高度相似，证实空穴耗尽是死层现象的主导机制。
• 在第一原子层实现界面Sr掺杂（x1 = 0.83或1）可显著减少氧空位并抑制死层，实现最低至6个单胞的金属性行为。
• 通过界面工程，6.8 u.c.薄膜的居里温度最高提升54 K，7 u.c.薄膜提升38.5 K，表明铁磁性得到增强。
• 低温电阻率在6.8 u.c.薄膜中降低至未工程化样品的7.8%，在9 u.c.薄膜中降低至78.8%，证实金属性显著增强。
• 尽管氧空位已显著减少（约为原始水平的70%），仍存在残余氧空位，表现为O 2p–Mn 3d杂化能带发生0.22 eV的位移，解释了6.3 u.c.工程化薄膜中仍存在的绝缘行为。