外电场作用下PZT铁电体调控LAO/STO氧化物异质界面二维电子气的高分辨原位电子全息研究

Integrate oxide two-dimensional electron gas (2DEG) with additional functional layers and then realize the external signal modulating 2DEG is a critical method for high performance devices development. Now the formation and modulation mechanism of 2DEG in perovskite Pb(Zr,Ti)O3/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures need to be researched in depth. Obtaining the accurate changing information of atomic and electronic structure as well as charge distribution at the epitaxial PZT/LAO/STO heteroinerface under applied external electric field is a prerequisite for the understanding of physical mechanism behind them. Therefore, it is necessary to conduct the ultra high resolution characterization and analysis of heterointerface by in-situ transmission electron microscope (TEM). In this proposal, we will employ in-situ electron holography at atomic scale combined with sub-Ångström spatial resolution imaging techniques, sub-eV energy resolution electron energy loss spectrum (EELS) to study atomic occupation, lattice distortion, chemical valence state, charge distribution at the interfaces of PZT/LAO/STO heterostructures as well as their corresponding evolution under applied external electric field based on a double aberration-corrected S/TEM. The goal of this research is to clarify the intrinsic factors that influence the 2DEG at LAO/STO interface and reveal the modulation mechanism of 2DEG conductivity for polar/nonpolar ferroelectric PZT overlayer. The proposed experimental study will provide the useful theoretical guide for the development of novel non-volatile memory nanoelectronics.

将功能化薄膜与氧化物二维电子气相结合，在外场作用下实现导电性能的可调控性，是发展新型电子元器件的重要方法。目前对钙钛矿型Pb(Zr,Ti)O3/LaAlO3/SrTiO3异质结构中二维电子气产生和外场调控的机理还有待深入研究。精确地获得外场作用下异质界面的原子和电子精细结构以及界面电荷电势的变化信息是理解其中物理机制的前提。因此，有必要对异质界面的结构和电子特性进行高分辨率原位透射电镜的表征和分析。本课题拟以原子分辨率的原位电子全息术为基础，结合双球差透射电镜中的亚埃分辨率原子成像技术、亚电子伏特分辨率电子能量损失谱深入研究PZT/LAO/STO异质结界面的原子占位、晶格畸变、化学价态、电荷电势分布及其在外加电场作用下的演变，旨在阐明影响LAO/STO界面二维电子气导电的根本原因及其外电场作用下PZT铁电体覆层调控二维电子气的机理,为新型信息存储器件的研究和开发提供理论指导。

就Pb(Zrx,Ti1−x)O3 (PZT)/LAO (LaAlO3)/SrTiO3 (STO)薄膜异质结构而言，虽然国际学术界对外场作用下界面出现的二维电子气(2DEG)现象及调控机理进行了大量实验和理论计算研究，但对这些现象产生的根本原因目前始终尚无定论，这在一定程度上阻碍了器件功能化的设计与改进。要全面深入理解其中的物理机制和设计新一代器件，目前最大的挑战是如何在原子尺度表征材料的显微组织和性能，并进一步理解氧化物异质结材料体系的界面结构、电子特性及其对外场的响应规律。本项目主要应用高分辨原位电子全息技术，结合其它先进的球差校正电镜表征方法获得PZT/LAO/STO界面的微结构和导电性能随外电场的变化信息，揭示外场调控薄膜异质结器件二维电子气的微观机理。. 利用激光脉冲沉积(PLD)方法在STO基体上精确生长了10个单胞(uc) LAO厚度的LAO(10uc)/STO，以及在此基础上生长20nm厚极化方向向上的PZTup/LAO(10uc)/STO异质结薄膜和极化方向向下的PZTdown/LAO(10uc)/STO异质结薄膜。通过改变Zr和Ti的比例可以获得自发极化向上或向下状态的PZT铁电体覆层。当PZT极化向下时，LAO/STO界面产生电荷积累将使界面导电性增加，反之，界面导电性降低。. 原子分辨率的Super-X元素面分布分析显示，样品中LAO/STO界面处阳离子锶(Sr)和镧(La)互溶现象不明显。从氧(O)的元素线扫描分析可以看出，O在LAO/STO界面处的变化情况不明显，因此氧空位的浓度也非常低。分辨率为0.7Å的球差校正高角环形暗场成像技术(HAADF-STEM)、对轻元素很敏感的环形明场像(ABF)成像技术以及原子分辨率的电子能量损失谱(EELS)结果表明，LAO(10uc)/STO以及PZTdown/LAO(10uc)/STO中的LAO/STO界面处Ti的价态从四价变为三价，同时有明显的离子位移发生；PZTup/LAO(10uc)/STO中的LAO/STO界面处没有观察到明显的Ti3+ 存在；导电界面处2DEG的厚度为5个单胞；与没有PZT覆层的LAO/STO相比，PZT极化向下的异质结薄膜界面处2DEG的浓度有所增加。我们的工作为发展多尺度界面现象的新颖物理性能的基本理解提供了平台。