[论文解读] Electronically coupled complementary interfaces between perovskite band insulators

Mark Huijben, Guus Rijnders+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2006

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 6被引用 225

一句话总结

本研究展示了在SrTiO3-LaAlO3多层异质结构中，通过原子尺度控制堆叠序列，实现电子耦合的互补界面，从而实现可调的界面电导率。利用定量透射电子显微镜，作者发现当界面间距小于约2.3 nm（6个钙钛矿单元晶胞）时，界面电导率和载流子密度显著降低，而即使在亚纳米间距下，高电子迁移率仍得以保持。

ABSTRACT

Perovskite oxides exhibit a plethora of exceptional electronic properties, providing the basis for novel concepts of oxide-electronic devices. The interest in these materials is even extended by the remarkable characteristics of their interfaces. Studies on single epitaxial connections between the two wide-bandgap insulators LaAlO3 and SrTiO3 have revealed them to be either high-mobility electron conductors or insulating, depending on the atomic stacking sequences. In the latter case they are conceivably positively charged. For device applications, as well as for basic understanding of the interface conduction mechanism, it is important to investigate the electronic coupling of closely-spaced complementary interfaces. Here we report the successful realization of such electronically coupled complementary interfaces in SrTiO3 - LaAlO3 thin film multilayer structures, in which the atomic stacking sequence at the interfaces was confirmed by quantitative transmission electron microscopy. We found a critical separation distance of 6 perovskite unit cell layers, corresponding to approximately 2.3 nm, below which a decrease of the interface conductivity and carrier density occurs. Interestingly, the high carrier mobilities characterizing the separate electron doped interfaces are found to be maintained in coupled structures down to sub-nanometer interface spacing.

研究动机与目标

• 研究氧化物异质结构中紧密排列的互补界面之间的电子耦合行为。
• 理解界面电导率和载流子密度如何随两个LaAlO3/SrTiO3界面间距离的变化而变化。
• 确定电子耦合显著改变界面性质的临界距离。
• 在小间距下尽管载流子密度降低，仍保持高电子迁移率。
• 建立原子堆叠序列与复杂氧化物异质结构宏观电子行为之间的关联。

提出的方法

• 外延生长具有可控堆叠序列的SrTiO3-LaAlO3薄膜多层结构。
• 利用定量透射电子显微镜（TEM）直接成像并确认每个界面处的原子堆叠结构。
• 测量界面电导率和载流子密度随界面间距的变化关系。
• 通过输运测量分析耦合界面中的电子迁移率。
• 基于电导率抑制开始出现的点，定义临界界面间距。
• 将结构数据（TEM）与电子输运数据相关联，建立结构-性能关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 界面间距对互补LaAlO3/SrTiO3界面电导率有何影响？
• RQ2 两个界面之间的电子耦合在何种距离下开始显著改变其电子性质？
• RQ3 当载流子密度降低时，能否在耦合界面中仍保持高电子迁移率？
• RQ4 界面处的原子堆叠序列如何影响氧化物异质结构中的电子行为？
• RQ5 界面电荷积累与静电屏蔽在耦合氧化物界面中起什么作用？

主要发现

• 确定了临界间距约为2.3 nm（6个钙钛矿单元晶胞），在此距离以下，界面电导率和载流子密度显著降低。
• 即使在亚纳米间距下，耦合结构中仍保持了孤立LaAlO3/SrTiO3界面所特有的高电子迁移率。
• 定量透射电子显微镜确认了每个界面处的原子堆叠序列，验证了结构模型。
• 小间距下电导率的抑制表明存在强烈的电子耦合，可能伴随界面电荷重分布。
• 结果表明，通过精确控制层厚和堆叠序列，可实现互补界面间电子耦合的工程化调控。
• 研究结果支持通过原子尺度异质结构设计，实现氧化物基电子器件中可调界面电导率的可行性。