[论文解读] Electrical transport properties of polar heterointerface between KTaO3 and SrTiO3

A. Kalabukhov, Robert Gunnarsson+2 more|ArXiv.org|Apr 9, 2007

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 9

一句话总结

本研究探讨了通过脉冲激光沉积法生长的绝缘性KTaO3与SrTiO3薄膜之间极性异质界面的电输运性质。尽管根据化学价态理论预测应为孔穴掺杂，但霍尔测量结果揭示了类似电子的载流子，其迁移率和电导率与LaAlO3/SrTiO3界面相似，挑战了仅由极性不连续性决定载流子类型的传统假设，提示在这些氧化物异质界面中，氧空位可能主导掺杂机制。

ABSTRACT

Electrical transport of a polar heterointerface between two insulating perovskites, KTaO3 and SrTiO3, is studied. It is formed between a thin KTaO3 film deposited on a top of TiO2- terminated (100) SrTiO3 substrate. The resulting (KO)1-(TiO2)0 heterointerface is expected to be hole-doped according to formal valences of K (1+) and Ti (4+). We observed electrical conductivity and mobility in the KTaO3/SrTiO3 similar to values measured earlier in electron-doped LaAlO3/SrTiO3 heterointerfaces. However, the sign of the charge carriers in KTaO3/SrTiO3 obtained from the Hall measurements is negative. The result is an important clue to the true origin of the doping at perovskite oxide hetero-interfaces.

研究动机与目标

• 研究在两种绝缘性钙钛矿氧化物KTaO3与SrTiO3之间的极性异质界面的电输运性质。
• 确定在该界面中观察到的高电导率和高迁移率的来源，尤其与广泛研究的LaAlO3/SrTiO3体系进行比较。
• 评估所观察到的载流子类型是否与传统的极性不连续性模型相矛盾，从而质疑形式价态在界面掺杂中的作用。
• 评估SrTiO3衬底中氧空位对所观察到的电子性质的潜在影响。
• 在相同生长条件下，比较KTaO3/SrTiO3与LaAlO3/SrTiO3异质结构的输运特性（面电阻、载流子浓度、迁移率）。

提出的方法

• 在750 °C和10−4 mbar氧气压强下，采用脉冲激光沉积法在TiO2-terminated (100) SrTiO3衬底上生长了13个单胞（约6 nm）的KTaO3薄膜。
• 通过原位反射高能电子衍射（RHEED）监测薄膜生长过程，并在沉积过程中确认了逐层外延生长。
• 在2–300 K温度范围及最高5 T磁场下，采用四探针范德堡测量法进行电输运测量。
• 通过掩膜版溅射沉积Ti/Au接触垫，以确保与界面的电接触，同时在KTaO3表面使用银环氧树脂接触以确认薄膜的绝缘行为。
• 通过霍尔效应测量确定界面处载流子的符号、浓度和迁移率。
• 将结果与在相同条件下生长的参考LaAlO3/SrTiO3异质结构的结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 KTaO3/SrTiO3异质界面是否表现出电导性，尽管其形式价态预测为孔穴掺杂？
• RQ2 KTaO3/SrTiO3界面处载流子的符号是什么？与电子掺杂的LaAlO3/SrTiO3体系相比有何差异？
• RQ3 考虑到KTaO3/SrTiO3与LaAlO3/SrTiO3之间输运性质相似，SrTiO3衬底中的氧空位在所观察到的电导率中起到多大程度的作用？
• RQ4 所观察到的电输运性质是否可仅由极性不连续性模型解释，还是需要引入其他机制？
• RQ5 在相同生长条件下，KTaO3/SrTiO3的载流子浓度、迁移率及面电阻与LaAlO3/SrTiO3相比在定量上如何？

主要发现

• KTaO3/SrTiO3异质界面表现出金属型电导性，室温下面电阻约为1.5 kΩ/□，与LaAlO3/SrTiO3界面相近。
• 霍尔效应测量显示负的霍尔系数，表明存在类似电子的载流子，尽管根据K+和Ti4+的形式价态预测该界面应为孔穴掺杂。
• KTaO3/SrTiO3界面的载流子浓度（ns）和霍尔迁移率（μH）与LaAlO3/SrTiO3体系相似，室温下ns ≈ 1.5 × 10^13 cm⁻²，μH ≈ 1000 cm²/V·s。
• KTaO3/SrTiO3的面电阻率、载流子浓度和迁移率随温度的变化行为与LaAlO3/SrTiO3异质结构高度一致，表明其具有相似的电子行为。
• KTaO3薄膜未表现出导电性（电阻 >10 MΩ）的实验结果确认，电输运仅发生在界面处。
• 所观察到的类似电子的行为与基于形式价态的极性不连续性模型相矛盾，提示氧空位或其他非极性机制可能是在此类氧化物异质界面中占主导地位的掺杂来源。