Gás de elétron bidimensional (2DEG) na interface SrTiO3/LaAlO3 - Amoresi, Rafael Aparecido Ciola [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2018)
Este trabalho foi idealizado no intuito de estudar as mais recentes descobertas na área de interfaces entre óxidos complexos. A motivação para elaboração dessa proposta foi baseada em uma interessante propriedade recentemente descoberta na interface entre SrTiO3/LaAlO3: o gás de elétrons bidimensional (2DEG, two-dimensional eletron gas). Neste sentido, esse trabalho teve como objetivo estudar o processamento de obtenção e caracterização físico-química do 2DEG na interface. A metodologia empregada foi deposição de filmes de LaAlO3 sobre substrato monocristalino de SrTiO3, através de deposição por laser pulsado (PLD, pulsed laser deposition). Para isso um alvo de LaAlO3 foi obtido por mistura de óxidos. O substrato monocristalino de SrTiO3 foi tratado previamente para remoção da camada atômica de SrO e terminação em TiO2. As condições como espessura, temperatura e pressão de deposição dos filmes foram analisadas. Dos resultados obtidos o alvo apresentou a fase estequiométrica pretendida. O substrato monocristalino foi experimentalmente avaliado sobre os processos para alcançar a terminação desejada. Os filmes foram texturizadamente crescidos por PLD e apresentou o 2DEG na interface. Até alcançar esse resultado, foram realizados inúmeros experimentos determinando temperatura e pressão de deposição, espessura dos filmes, além do processamento para mensurar as propriedades de transporte na região de interface. As medidas de transporte foram realizadas com eletrodos de superfície utilizando fotolitografia, e com eletrodos de interface utilizando o microscópio de feixe de íon focalizado (FIB). As análises de resistência e magnetorresistência foram realizadas com equipamentos acoplados a sistemas de criogenia a fim de diminuir a interferência por fônons no material. Também foram realizadas caracterizações estruturais, por difração de raios X (DRX) e espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR), para o alvo, o substrato e os filmes. Por espectroscopia de refletância difusa na região do UV-Vis foi possível determinar a energia de band gap do SrTiO3 para as diferentes formas de obtenção da heteroestrutura. Através de microscopia de força atômica (AFM) e microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (FEG-MEV), foi possível acompanhar a morfologia de superfície desde o tratamento do substrato para elucidar a remoção da camada de SrO, e os parâmetros tais como espessura, forma e tamanho dos grãos nos filmes. As técnicas espectroscópicas de fotoelétrons excitados por raios X (XPS) e fotoluminescência elucidaram a composição de superfície e interface bem como o ambiente químico da heteroestrutura. Foi verificado que os defeitos estruturais em forma de vacâncias de oxigênio resultam em diferentes ambientes químicos na região de interface da heteroestrutura e da superfície do filme de LaAlO3. Tais parâmetros conferem ao material comportamento semicondutor, metálico ou com 2DEG na interface, permitindo estimar o estado doador e confinante dos portadores de carga.

This work was designed in order to study the most recent discoveries in the area of interfaces between complex oxides. An interesting property recently discovered at the interface between SrTiO3/LaAlO3: two-dimensional electron gas (2DEG, two-dimensional electron gas) was the motivation to prepare this proposal. In this sense, this work was aims to study the processing and the physical-chemical characterization of 2DEG at this interface. The deposition of LaAlO3 films on the monocrystalline substrate of SrTiO3 by pulsed laser deposition (PLD) was the methodology applied. In this sense a target of LaAlO3 was obtained by mixing oxides. The monocrystalline SrTiO3 substrate was pre-treated for removal of the SrO atomic layer and TiO2 termination. The conditions such as thickness, temperature and deposition pressure of the films were analyzed. From the obtained results, the target showed the desired stoichiometric phase. The monocrystalline substrate was experimentally evaluated on the processes to achieve the desired termination. The films were texturized grown by PLD and presented the 2DEG in the interface. Until reaching this result, numerous experiments were carried out in order to determine the better temperature and pressure for deposition, film’s thickness, and the processing to measure transport properties at the interface region. The transport measurements were performed with surface electrodes using photolithography, and with interface electrodes using the focused ion beam microscope (FIB). Resistance and magnetoresistance analyzes were performed with equipment coupled to cryogenic systems to reduce phonon interference in the material. Structural characterizations, such as X-ray diffraction (XRD) and absorption spectroscopy in the infrared region (FTIR) were also performed for the target, substrate and films. By diffuse reflectance spectroscopy in the UV-Vis region it was possible to determine the band-gap of the materials. It was possible to monitoring the surface morphology since the substrate treatment by atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (SEM-FEG). Based on the results, it was possible to elucidate the removal of the SrO layer, and parameters such as thickness, shape and grain size of the films. Spectroscopic techniques of X-ray excited photoelectron (XPS) and photoluminescence elucidated the surface and interface composition as well as the chemical environment of the heterostructures. It was verified that the structural defects in the form of oxygen vacancies results in different chemical environments at the interface region of the heterostructure and the surface of the LaAlO3 films. These parameters designate semiconductor, metallic behaviors or with 2DEG at the interface, besides allowing us to estimate the donor and confining state of the load carriers.
Two-dimensional electron gas (2DEG) at the SrTiO3/LaAlO3 interface
Keywords: Óxidos complexos; Interface; 2DEG; SrTiO3; LaAlO3; Complex oxides; Interface