[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究探究了由(La,Sr)(Al,Ta)O₃与SrTiO₃形成的高迁移率氧化物界面中的量子输运行为，发现亚能带占据和载流子迁移率对量子振荡具有决定性影响。氧退火后，仅剩3dxy电子，从而实现可调的Shubnikov-de Haas振荡，有效质量为0.7me；而原始生长的界面尽管迁移率很高，却因多亚能带占据而未表现出振荡行为。

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.

研究动机与目标

• 理解亚能带占据和载流子迁移率如何影响氧化物二维电子气中的量子输运行为。
• 研究氧空位对(La,Sr)(Al,Ta)O₃/SrTiO₃界面电子态的影响。
• 确定在复杂氧化物异质结构中Shubnikov-de Haas振荡出现的条件。
• 阐明为何高迁移率本身并不能保证在多亚能带体系中观测到明显的量子振荡。

提出的方法

• 通过控制氧含量制备(La₀.₃Sr₀.₇)(Al₀.₆₅Ta₀.₃₅)O₃/SrTiO₃异质结构。
• 利用氧退火去除氧空位并调控电子结构。
• 测量低温输运特性，包括霍尔效应和磁阻，以提取载流子浓度和迁移率。
• 分析Shubnikov-de Haas振荡，以确定有效质量和费米面拓扑结构。
• 在相同栅压条件下，比较原始生长与退火后界面的输运行为。
• 利用角度依赖的磁输运测量，确认来自3d轨道（xy与xz/yz）的亚能带贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 氧空位浓度如何影响(La,Sr)(Al,Ta)O₃/SrTiO₃界面的亚能带占据和电子迁移率？
• RQ2 为何原始生长界面中高迁移率的电子即使迁移率很高也无法表现出Shubnikov-de Haas振荡？
• RQ3 3d轨道对称性（3dxy与3d_xz/yz）在决定量子输运响应中起什么作用？
• RQ4 氧退火如何改变电子结构以实现可观测的量子振荡？
• RQ5 退火后界面中主导电子态的有效质量是多少？

主要发现

• 氧退火前，两个亚能带被占据：3dxy电子的迁移率约为10⁴ cm²V⁻¹s⁻¹，而3d_xz/yz主导的电子迁移率约为10³ cm²V⁻¹s⁻¹。
• 氧退火后，仅剩3dxy电子，测得其有效质量为0.7me。
• 在2 K、低于9 T的磁场下，退火后的界面中观测到Shubnikov-de Haas振荡，证实存在明确的费米面。
• 在原始生长的界面中，即使通过栅压将电子迁移率提高至50,000 cm²V⁻¹s⁻¹，也未观测到Shubnikov-de Haas振荡。
• 原始状态中多个亚能带的存在抑制了量子振荡，尽管迁移率很高。
• 氧退火有效去除了氧空位，使系统形成单一、清晰的亚能带，实现相干的量子输运。