When X-Rays and Oxide Heterointerfaces Collide E. Slooten

Transcriptie

1 When X-Rays and Oxide Heterointerfaces Collide E. Slooten

2 Samenvatting Het grensvlak tussen LaAlO 3 (LAO) en TiO 2 getermineerd SrTiO 3 (STO) heeft vele interessante en onverwachte eigenschappen. Beide materialen zijn niet magnetische perovskiet materialen met een grote energie kloof van 5.6 en 3.2 ev respectievelijk. Maar ondanks dat ontstaat op het grensvlak tussen de twee materialen niet alleen geleiding, maar ook magnetisme, supergeleiding en zijn de laatste twee effecten zelfs tegelijkertijd in hetzelfde monster waargenomen. Dit alles wordt veroorzaakt door een twee dimensionaal elektronengas (2DEG) van hoge mobiliteit wat om onbekende redenen vormt op het grensvlak. Vele verschillende mechanismen zijn door de jaren voorgesteld om het ontstaan van dit 2DEG te verklaren. Vele van die verklaringen zijn geworteld in hetzelfde fenomeen: de polaire catastrophe. STO en LAO zijn op zeer veel vlakken vergelijkbare materialen: ze hebben dezelfde structuur, bijna dezelfde roosterconstante, ze hebben allebei een grote elektronische energie kloof en zijn allebei niet magnetisch. Ze verschillen echter in één cruciaal aspect: de SrO en TiO 2 lagen waar het STO uit bestaat zijn neutraal geladen, terwijl de LaO + en AlO 2 lagen van LAO dat niet zijn. Dit leidt tot de opbouw van een interne potentiaal die groeit met elke toegevoegde laag LAO. De energie van deze snel divergerende potentiaal kan door het systeem op verschillende manieren gebruikt worden. Misschien het meest populaire model om het ontstaan van het 2DEG aan het STO/LAO grensvlak te verklaren is elektronische reconstructie. Volgens dit model verplaatst de polaire catastrophe de LAO energie banden richting het Fermi niveau totdat het valentie band maximum van LAO overlapt met het geleidingsband minimum van STO. Oftewel: de LAO banden steken de energie kloof van STO over. Als dit gebeurd kunnen electronen van

3 het LAO verplaatst worden naar het STO en op die manier de potentiaal opbouw teniet doen. De verplaatste elektronen vormen dan het 2DEG aan het STO/LAO grensvlak. Een ander populair voorstel heeft betrekking tot zuurstof defecten. In bulk vorm zijn zowel STO als LAO zeer gevoelig voor zuurstof defecten. Het is dus ook niet onredelijk om te verwachten dat zulke defecten ook een belangrijke rol spelen in STO/LAO heterostructuren. Een zuurstof ion verwijderen brengt twee elektronen in in het systeem. Die elektronen kunnen op dezelfde manier als bij elektronische reconstructie de polaire catastrophe teniet doen. Uitwisseling van ionen rond het grensvlak is ook voorgesteld, maar er moet hier benadrukt worden dat ondanks dat dit mechanisme kan leiden tot de formatie van een metallische laag van bijvoorbeeld La 1 x Sr x Al 1 y Ti y O 3 or Sr 1 1.5x La x O, het niets doet om de polaire catastrophe af te wenden. Dus ondanks het feit dat het zeker mogelijk is dat dit soort uitwisseling plaats vindt kan het niet het enige effect zijn. Het belang van afweiking van stoichiometrie in de LAO laag, specifiek La deficiëntie, is ook bericht. Een aantal groepen hebben bericht dat alleen La deficiënte monsters geleidend zijn. Zulke defecten op de B-locaties bieden het systeem een manier om de polaire catastrophe te verhelpen zonder dat er lading verplaatst hoeft te worden. In dit proefschrift worden de eigenschappen van STO/LAO grensvlakken onderzocht met behulp van Röntgen spectroscopische technieken. In hoofdstuk vier, wat geweid is aan normale STO/LAO heterostructuren, wordt getoond dat de elektronische ladingen aan het grensvlak altijd aanwezig zijn voor elke LAO dikte, ondanks het feit dat in transport alle monsters met een LAO dikte van vier eenheidscellen geleidend zijn. De ladingsdragers tonen geen tekenen van sterke opsluiting in onze experimenten, wat betekent dat als er wel opsluiting is, dit in een gebied is van zeker tien eenheidscellen en waarschijnlijk in een gebied van 20 eenheidcellen dik. Het elektronische reconstructie model voorspelt dat de interne potentiaal veroorzaakt door de polaire catastrophe opbouwt met 0.9 ev per eenheids-

4 cel, voor zolang de LAO dikte onder de kritische dikte voor geleiding blijft (vier eenheidscellen). Wat waargenomen wordt in de experimenten is echter een fractie van de voorspelde potentiaal opbouw en er wordt ook geen verbreding van de kern niveaus waargenomen, een andere voorspelling van het elektronische reconstructie model. Een vergelijking met DFT berekningen laat zien dat zuurstof defecten het systeem een alternatief op elektronische reconstructie bieden, wat inderdaad zou leiden tot de gereduceerde potentiaal opbouw die waargenomen wordt in het experiment. Dit betekent niet dat zuurstof defecten de enige oplossing zijn. Andere defect-gerelateerde verklaringen kunnen nog steeds een rol spelen. In hoofdstuk vijf worden de effecten van afdekken van STO/LAO grensvlakken onderzocht. In transport heeft een SrCuO 2 /STO afdeklaag een heel sterk effect op de eigenschappen van het grensvlak. Een gestegen elektron mobiliteit en een sterk verlaagde en temperatuur onafhankelijke ladingdragers concentratie zijn de meest prominente verbeteringen. De spectroscopische data onderstrepen de hypothese dat deze verbeteringen van de belangrijkste eigenschappen veroorzaakt worden door een sterk gereduceerde zuurstof defect concentratie. Zuurstof defecten leveren niet alleen ladingdragers aan het systeem, maar zijn ook verstrooi centra die de elektron mobiliteit aan het grensvlak verlagen. Een ander interessant effect wat aangetroffen wordt in deze derde generatie monsters is een sterke steiging in energie sprong tussen de valentie banden van STO en LAO vergeleken met eerste generatie monsters. Energie sprongen tot 1 ev zijn waargenomen voor LAO dikten op of onder de kritische dikte voor geleiding. Wanneer de LAO dikte duidelijk in het regime van metallische geleiding zit zakt de energie sprong sterk in naar waarden die ook waargenomen worden in eerste generatie monsters. Dit gedrag lijkt sterk op wat verwacht wordt van elektronische reconstructie, op twee dingen na: ten eerste is er geen laag voor laag potentiaal opbouw, maar een enkele enerige sprong aan het STO/LAO grensvlak en ten tweede is de energie sprong niet groot genoeg om de STO band kloof te overbruggen. De waarden voor de energiesprong die waargenomen worden voor deze monsters

5 zijn echter de hoogste die ooit waargenomen zijn voor heterostructuren die gebasseerd zijn op STO/LAO. Het laatste hoofdstuk van dit proefschrift is geweid aan STO/LAO grensvlakken gegroeid op NdGaO 3 (NGO) substraten. Door het STO/LAO systeem op een substraat met een rooster constante tussen die van STO en LAO te groeien, wordt de spanning op het STO/LAO grensvlak verminderd. Daarnaast geeft een ander substraat de mogelijkheid om de dikte van de STO laag te variëren. In transport is sterke localizatie waargenomen voor STO dikten onder acht eenheidscellen en zwakke localizatie voor dikkere STO lagen. Ook een ongebruikelijk hoge ladingdragersconcentratie wordt waargenomen die bevestigd wordt door onze spectroscopische experimenten. De potentiaal put die elektronen aan het STO/LAO grensvlak opsluit wordt in kaart gebracht met een duidelijkheid die onovertroffen is voor Röntgen spectroscopische experimenten op oxide heterostructuren. De ladingdragersconcentratie die actief is transport benadert de waarde van 0,5 elektron per eenheidscel. Wat de waarde is die noodzakelijk is om de polaire catastrophe af te wenden. Een groot verschil tussen deze monsters en andere STO/LAO heterostructuren is het feit dat de laagste energie toestanden de Ti 3d xz en yz orbitalen zijn. In andere STO/LAO grensvlakken zijn dit de xy orbitalen. Oftewel: de ladingdragers die transport domineren in NGO/STO/LAO hebben een andere karakter dan die in STO/LAO heterostructeren. Deze orbitaal inversie is waarschijnlijk de oorzaak van het afwijkende gedrag wat waargenomen wordt in transport experimenten.