[论文解读] Reversible and Persistent Photoconductivity at the NdGaO3/SrTiO3 Conducting Interface

U. Scotti di Uccio, C. Aruta+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2012

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 19被引用 3

一句话总结

本研究在NdGaO3/SrTiO3氧化物界面实现了可逆且持久的光电导效应，该界面因极性不连续性而形成二维电子气。通过原子分辨率EELS与电学测量，发现低能光子辐照可在高电阻样品中诱导出巨大的持久光电导效应，同时在不增加载流子浓度的情况下提升低温迁移率，凸显了全钙钛矿氧化物异质结构中独特的电荷动力学行为。

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.

研究动机与目标

• 研究NdGaO3/SrTiO3界面处二维电子气的形成与输运特性。
• 探究该全钙钛矿异质结构中光电导效应的起源，特别是低能光照条件下的行为。
• 比较NdGaO3/SrTiO3与众所周知的LaAlO3/SrTiO3体系在电子迁移率与光电响应方面的表现。
• 确定持久光电导效应是否源于缺陷态或本征界面机制。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法在SrTiO3衬底上外延生长NdGaO3薄膜。
• 利用原子尺度电子能量损失谱（EELS）探测界面附近钛3d轨道处电子的空间局域化情况。
• 通过电学输运测量分析在不同条件下载流子浓度与迁移率的变化。
• 在光子能量低于SrTiO3带隙（Eg ≈ 3.2 eV）的条件下测量光电导效应。
• 制备非最佳条件下的样品以提高电阻率，进而研究持久光电导效应。
• 与LaAlO3/SrTiO3体系进行对比分析，评估界面电子行为的异同。

实验结果

研究问题

• RQ1 NdGaO3/SrTiO3界面是否支持与LaAlO3/SrTiO3相似的二维电子气？
• RQ2 低能光子辐照在调控NdGaO3/SrTiO3界面电学性质中起何种作用？
• RQ3 为何在高电阻NdGaO3/SrTiO3样品中，尽管载流子浓度未增加，仍会出现持久光电导效应？
• RQ4 界面电子在空间上如何局域化？其电子组态为何？
• RQ5 所观察到的可逆且持久的光电导效应背后的机制是什么？

主要发现

• 在NdGaO3/SrTiO3界面形成了一层具有高迁移率的金属态电子层，其电子特性与LaAlO3/SrTiO3体系相当。
• 电子在界面附近几单位晶胞范围内局域化，主要占据钛3d轨道，该结果经原子分辨率EELS验证。
• 使用低于SrTiO3带隙的光子辐照并未增加载流子浓度，但显著提升了低温电子迁移率。
• 在低能光照下，高电阻样品中观察到巨大的持久光电导效应，表明存在长寿命的载流子。
• 持久光电导效应归因于缺陷介导的捕获或本征界面机制，而非自由载流子激发。
• 结果表明，NdGaO3/SrTiO3体系是研究氧化物异质结构界面电导率与光电效应的有前途平台。