宽温区场效应和激光协同调控氧化物二维电子气电输运特性研究

The origin of two-dimensional electron gas (2DEG) formed on SrTiO3-based oxide interface and the modulation of the relative novel physical properties have been extensively studied in condensed matter physics and microelectronic field. The effective tuning of high-mobility 2DEG would have important application value in the functional devices, such as Field Effect Transistor, and result in a variety of novel phenomena on oxide interface. However, the Field Effect failed to modulate carrier density of 2DEG above 10 K (only works under superconductor temperature 400 mK), indicating that the exploration of new approaches to tune oxide 2DEG effectively is of significance in academic and scientific senses. Owing to the capability of light on tuning the carrier density of 2DEG, the project is dedicated to study the transport behavior of 2DEG by combing electrical field effect and light in the range of 80~350 K, and focus on the anisotropic electrical transport behavior of 2DEG located at (110)-orientated interface. It is expected to achieve an effective tuning of 2DEG by electrical and optical stimuli. The present project discusses the influence of SrTiO3 substrate and defects on 2DEG, and analyze the regulation mechanism of oxide 2DEG by electrical and optical stimuli. This work demonstrates the great potential of tuning the properties of 2DEG by multi-field, which has a broad application prospects in the design of high electron mobility oxides devices.

SrTiO3基氧化物界面二维电子气(2DEG)的起源、新奇现象的拓展调控是近年来凝聚态物理和微电子领域的前沿研究热点。若实现电场对该高迁移率2DEG的有效调制，将在场效应晶体管等电子器件方面具有重要的应用价值，并诱导氧化物界面产生更丰富的物理现象。然而，在10K以上温度，场效应对氧化物2DEG浓度等特性的调控近乎失效（仅在400mK超导温区有效），探索新型外场方法实现宽温区2DEG有效调控具有重要研究意义。基于激光在室温调制2DEG载流子的潜力，本项目拟采用场效应和光照协同调控方法，在宽温区(80-350K)研究氧化物2DEG载流子浓度、输运特性，重点研究(110)界面2DEG的各向异性电输运特性，实现光-电场对2DEG新奇有效的调控。本工作将分析光-电场调控下SrTiO3衬底和缺陷对2DEG的影响，探讨光-电场调控氧化物2DEG的机理，揭示多场调控氧化物界面2DEG的潜力和广阔应用前景。

“界面就是器件”，探索具有特殊功能的低维人工异质结构及界面是当前学术界和工业界的研究热点。过渡族金属氧化物异质结界面出现的众多新奇物理现象引起人们广泛地关注，特别是绝缘钛酸锶SrTiO3基氧化物界面高迁移率二维电子气的发现，掀起了当前研究热潮。基于电场对氧化物异质界面高迁移率二维电子气的调控效果较弱这一重要的科学问题，本项目致力于探索新型外场原理和方法，实现对氧化物界面二维电子气2DEG浓度、输运特性的有效调制，促进氧化物二维电子气在功能器件上的应用。本项目主要以钛酸锶基氧化物异质界面二维电子气2DEG为研究对象，首先实现绝缘氧化物导电界面高迁移率载流子的可控制备，进一步设计实验将激光和电场结合，研究50K~300K温度下场效应和激光对氧化物界面二维电子气载流子浓度、电输运性质的调控，研究发现激光-电场联合作用调控LAO/STO界面电阻和载流子浓度变化远远大于其他文献报告的电容效应调控载流子浓度的能力，表明光-电场联合作用有效调控了氧化物界面二维电子气的电输运特性，该联合调控效应对温度场表现出强依赖关系，揭示多场联合调控强关联氧化物界面特性的巨大潜力。本项目通过研究光-电场对氧化物钛酸锶衬底及内部氧空位重要缺陷的迁移动力学过程的调控，发现光-电场调控钛酸锶衬底晶格膨胀和极化，激光激发孤立氧空位缺陷迁移重新分布。项目分析和建立了氧化物衬底、缺陷与氧化物界面特性之间的关联机制。本项目进一步研究了氧化物衬底、应力应变、温度、取向等因素对氧化物薄膜电磁特性的调控影响，证实钴氧化物薄膜铁磁性与张应变及薄膜缺陷密切关联，在过渡族氧化物薄膜体系挖掘出更多新奇丰富的物理现象。本项目利用光-电场实现对氧化物界面高迁移率载流子的有效调制，揭示了多场调控二维电子气特性的巨大潜力。本项目研究结果为设计新型氧化物电子功能器件提供了研究基础和理论依据，促进了过渡族氧化物界面高迁移率载流子在场效应晶体管、光电子器件等新型电子器件领域的拓展和应用。