NUS-natuurkundigen hebben een nieuwe methodologie ontwikkeld voor het bepalen van de impact van screeningseffecten op de mobiliteit van ladingsdragers op het grensvlak van complexe materiaalstructuren.

Oxide heterostructuren, die zijn samengesteld uit lagen van verschillende oxidematerialen, vertonen unieke fysische eigenschappen op hun grensvlakken (verbinding tussen twee oxidematerialen). Deze eigenschappen bestaan ​​niet in hun moederverbindingen. Een voorbeeld is de oxide heterostructuur bestaande uit een film van lanthaanaluminaat (LaAlO ₃ ) op strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ) die zowel isolerende als geleidende eigenschappen kunnen vertonen, afhankelijk van de dikte van de film. Wanneer de LaAlO ₃ de filmdikte neemt toe en wordt 4 eenheidscellen (~20 nm) of meer, de materiaaleigenschappen op het grensvlak veranderen abrupt van elektrisch isolerend naar elektrisch geleidend (metaalachtig) met hoge elektronenmobiliteit (de snelheid van de elektronenstroom). Echter, er is beperkt inzicht in het mechanisme van deze hoge elektronenmobiliteit en de fysieke parameters die dit ongebruikelijke gedrag beïnvloeden.

Het onderzoeksteam onder leiding van Prof Andrivo RUSYDI en Prof ARIANDO, beide van de afdeling Natuurkunde en Nanowetenschappen en Nanotechnologie Instituut (NUSNNI) NanoCore, NUS heeft een nieuwe methodologie ontwikkeld met een combinatie van geavanceerde meettechnieken (spectroscopische ellipsometrie, op synchrotron gebaseerde zachte röntgenabsorptiespectroscopie en ladingstransportmetingen) om de invloed van gelokaliseerde ladingen op de mobiliteit van elektronen aan het oxide-grensvlak te bepalen. Deze gelokaliseerde ladingen kunnen elektronen zodanig afschermen (of "afschermen") dat ze elkaar niet "zien", de coulomb-afstoting tussen hen aanzienlijk verminderen. Het screenen van de coulomb-afstoting helpt om correlatie-effecten tussen elektronen te verminderen. Dit staat bekend als het "screening-effect" en zorgt ervoor dat de elektronen op het grensvlak met een grotere mobiliteit kunnen reizen. Met de nieuwe methode ontwikkeld door het NUS-onderzoeksteam konden ze zowel afgeschermde als niet-afgeschermde elektronen detecteren, daardoor licht werpen op hoe ze de elektronische eigenschappen van een complexe oxide heterostructuur dicteren, vooral bij een begraven interface.

De onderzoekers die bij dit team betrokken zijn, hebben deze methode toegepast op een oxide-heterostructuur die bestaat uit lanthaan-strontiumaluminiumtantalaat ((La _0.3 sr _0,7 )(Ali _0,65 Ta _0,35 )O ₃ (LSAT) en SrTiO ₃ . Ze ontdekten de aanwezigheid van een nieuwe midgap-staat die wordt bevolkt door gelokaliseerde ladingen (die worden overgedragen vanaf het oppervlak van LSAT) aan de interface. Een midgap-toestand is een toestand die optreedt binnen de optische bandgap. interessant, ze ontdekten dat een dergelijke midgap-toestand verantwoordelijk is voor het bepalen van de transporteigenschappen van de interface. Wanneer er meer lokale kosten zijn op de interface, de mobiele elektronen worden verder afgeschermd van die in het omringende bulkmateriaal. Dit verhoogt de mobiliteit van de interface-elektronen aanzienlijk.

De onderzoekers ontdekten ook dat de elektronenmobiliteit toeneemt met de dikte van de LSAT-laag en geassocieerd is met een toename van de midgap-toestand (met meer gelokaliseerde ladingen). Het elektronische afschermingseffect speelt een dominante rol in elektronenmobiliteit op het grensvlak, wat in dit geval resulteerde in een verhoging van de elektronenmobiliteit met meer dan 25 keer.

Prof Rusydi zei:"Onze bevinding toont het belang aan van het elektronische screeningseffect bij het bepalen van elektronenmobiliteit op het grensvlak van complexe oxide-heterostructuren. De ontwikkelde experimentele technieken bieden een nieuwe methodologie voor het bestuderen van de eigenschappen van een begraven materiaalinterface. Met deze nieuwe inzichten, materiaalwetenschappers kunnen geavanceerde materialen ontwikkelen met unieke eigenschappen voor nieuwe apparaatfunctionaliteiten."