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文章

日期2012年7月18日|接受2013年3月25日| 2013年5月14日发布

DOI: 10.1038/ncomms2804 OPEN

LaAlO₃/SrMnO₃（110）界面的二维各项异性的二维电子气体

A. Annadi1,2, Q. Zhang3,4,5, X. Renshaw Wang1,2, N. Tuzla6, K. Gopinadhan1,7, W.M. Luuml;1,7, A. Roy Barman1,2,

Z.Q. Liu1,2, A. Srivastava1,2, S. Saha1,2, Y.L. Zhao1,2, S.W. Zeng1,2, S. Dhar1,7, E. Olsson6, B. Gu5,8,

S. Yunoki4,5,9,10, S. Maekawa5,8, H. Hilgenkamp11,12, T. Venkatesan1,2,7 amp; Ariando1,2

观察两个绝缘体之间的高迁移率二维电子气复合氧化物，特别是LaAlO₃ / SrTiO₃，已经促进了电子学的氧化物的潜能。这种导电性的出现被认为是由极化不连续性所驱动的，导致电子重建。在这种情况下，晶体的方向起着一个重要的作用。例如，对于界面而言，预期会发挥重要作用并且不会导电LaAlO₃和（110）取向SrTiO3之间，不应该有极化间断。在这里我们报告了在LaAlO₃ / SrTiO₃在（110）取向SrTiO3上制备SrTiO3界面，LaAlO3层厚度依赖金属 - 绝缘体转变。密度泛函理论计算揭示了电子重建，从而产生了导电性，另外一种可能的情况是在这个（110）接口通过考虑能量有利（110）界面结构，即屈曲TiO2 / LaO，其中的极化不连续仍然存在。沿着不同的晶体学方向，电导率进一步被发现有着强烈的各向异性的特性，超导性以及磁性，导致可能的新物理和应用。

1 NUSNNI-Nanocore, National University of Singapore, Singapore 117411, Singapore. ² Department of Physics, National University of Singapore, Singapore 117542, Singapore. ³ Key Laboratory for Advanced Technology in Environmental Protection of Jiangsu Province, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China. ⁴ Computational Condensed Matter Physics Laboratory, RIKEN ASI, Wako 351-0198, Japan. ⁵ CREST, Japan Science and Technology Agency, Kawaguchi 332-0012, Japan. ⁶ Department of Applied Physics, Chalmers University of Technology, Gouml;teborg 41296, Sweden. ⁷ Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, Singapore 117576, Singapore. ⁸ Advanced Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Tokai 319-1195, Japan. ⁹ Computational Materials Science Research Team, RIKEN AICS, Kobe 650-0047, Japan. ¹⁰ Computational Quantum Matter Research Team, RIKEN CEMS, Wako 351-0198, Japan. ¹¹ MESA Institute for Nanotechnology, University of Twente, Enschede 7500, The Netherlands. ¹² Leiden Institute of Physics, Leiden University, Leiden 2333, The Netherlands. Correspondence and requests for materials should be addressed to Ar. (email: ariando@nus.edu.sg).

NATURE COMMUNICATIONS | 4:1838 | DOI: 10.1038/ncomms2804 | www.nature.com/naturecommunications 1

thorn;

ARTICLE NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms2804

由于其界面处的结构，电荷，轨道或自旋重建，复杂的氧化物异质结构已经成为创造其大量组分中不存在的外来现象的途径1。这种异质结构最激动人心的系统之一是两个带状绝缘体LaAlO3和SrTiO3之间的界面。当这两种钙钛矿型氧化物沿着（100）取向结合在一起时，高度导电的二维电子气（2DEG）出现在它们的界面2上。此外，该界面也显示出各种电子和磁相，如可调谐金属 - 绝缘体基态³，二维超导^4,5，磁基态⁶和电子相分离7，其中不同的磁相与界面电导率。最近，还报道了互斥现象，磁性和超导性的共存^[8-10]。尽管如此，所有这些研究仅针对沿（100）晶向取向构建的界面。

晶体LaAlO3 / SrTiO3（100）界面中的电导率主要被解释为源于电子重构，这是两种氧化物界面处极化不连续性的直接结果。 在这种情况下，SrTiO3（100）衬底的ABO3钙钛矿结构可以被认为是（SrO）0和（TiO2）0（图1a，b）的叠层，而对于LaAlO3，它由（ LaO） 1和（AlO2）1，这导致了LaAlO3和SrTiO3之间界面处的极化不连续性。 另一方面，对于在SrTiO3（110）衬底上制备的LaAlO3 / SrTiO3界面（图1c，d），SrTiO3和LaAlO3都可以用（ABO） ⁴和（O2）⁴ 如Hwang等^[12]和Mukunoki等[13]中提出的那样，导致界面处没有极化不连续性。因此，这种LaAlO3 / SrTiO3（110）界面没有预期的导电性。

在这里我们证明高迁移率2DEG也可以出现在这个LaAlO3 / SrTiO3（110）界面。 （110）界面显示了与（100）界面类似的金属 - 绝缘体转变的传输性质和LaAlO3-层临界厚度，但沿着两个面内结晶学方向具有强烈的各向异性特性。 进一步发现这种各向异性行为对氧气生长条件敏感。 密度泛函理论（DFT）研究表明，当界面由偏振不连续性仍然存在的替代方式表示时，沿着（110）取向的能量有利的原子结构可以支持电子重构。

结果

电输送特性。 LaAlO3 / SrTiO3（110）和（100）样品的生长参数在方法部分讨论。表面电阻Rs，电荷密度ns和霍尔迁移率m用van der Pauw几何学测量。图2a显示了在不同的氧分压（PO2）下生长的LaAlO3 / SrTiO3（110）样品的Rs随温度的变化，固定厚度为12单位（uc）的LaAlO3。引人注目的是，这些界面表现出与（100）情况相似的电导率（图2b），尽管在生长过程中氧分压相对较大。 R在300-100K的温度范围内遵循类似T2的依赖性，并且在低温下倾向于饱和。在较高氧气压力下生长的样品显示出在较低温度下的电阻回升，典型的局部化/ Kondo行为表明在界面处存在磁散射中心。虽然（100）情况下的Kondo散射仅报道LaAlO3厚度415 uc^6,14,15，但在（110）的情况下，甚至可以看出10 uC LaAlO3厚度，表明更强的散射效应。我们在这里注意到，对于（100）情况，也报告了氧沉积压力下电阻率的分散性，但对于具有20 uc“较厚”LaAlO3层的样品⁶，暗示这些样品对LaAlO3厚度具有不同的灵敏度接口。有趣的是，随着氧气生长压力，最小阻力存在温度变化，这表明界面处的散射强度对沉积条件敏感。我们在此注意到，电阻率测量已经进行到2K，并且这些样品中的一些可能在较低温度下变成超导是可行的。界面处的散射强度对沉积条件敏感。 我们在此注意到，电阻率测量已经进行到2K，并且这些样品中的一些可能在较低温度下变成超导是可行的。

AlO2 ?1

LaO 1

?1

1

0

0

0

0

4

–4

4

–4

4

–4

4

–4

Al

La Ti3

Sr Ti4

Parallel interface Buckled interface

图1 | 接口配置。 （a）（100） - 和（c）（110）取向SrTiO3衬底上的LaAlO3 / SrTiO3界面的极化突变模型的布局，其中平面被分段为平面电荷板。 在（100）的情况下，期望电荷转移，而在（110）的情况下，不存在极化不连续性，因此不存在电荷转移。 （b，d）表示（a）和（c）的接口的原子图。 （e）考虑SrTiO3和LaAlO3的（110）平面作为屈曲片材，在（110）取向的SrTiO3上的LaAlO3 / SrTiO3界面的原子图。

2 NATURE COMMUNICATIONS | 4:1838 | DOI: 10.1038/ncomms2804 | www.nature.com/naturecommunications

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms2804 ARTICLE

PO2 (Torr)

510^–3 110^–3 510^–4 110^–4 510^–5

10⁵ 10⁵

LaAlO3 / SrTiO3 (110)

LaAlO3 / SrTiO3 (100)

10⁴ 10⁴

–1)

–1)

10³ 10³

Rs (Omega;

Rs (Omega;

10² 10²

10¹

LaAlO3 / SrTiO3 (110)

1018

1016

ns (cm^–2)

1014

1 10 100 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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