$\gamma$-Al$_2$O$_3$/SrTiO$_3$ 异质结构中的高迁移率二维电子气
材料科学
2022-06-15 v2 介观与纳米尺度物理
摘要
-AlO（GAO）与 SrTiO（STO）界面（GAO/STO）之间二维电子气（2DEG）的起源以及 2DEG 高迁移率的原因仍有争议。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了含氧空位与不含氧空位的 [001] 取向 GAO/STO 异质结构的电子结构。计算结果表明，2DEG 形成的必要条件是 GAO/STO 异质结构具有由 Al 与 TiO 层组成的界面。对于 GAO 侧无氧空位的异质结构，2DEG 源于界面附近的极性不连续，且 GAO 薄膜存在临界厚度，低于该厚度则 2DEG 不出现，异质结构呈绝缘体特性。对于仅 GAO 薄膜含氧空位的情况，界面附近的极性不连续消失，但 2DEG 依然存在。此时，2DEG 形成所需的 GAO 薄膜临界厚度也不存在。当 GAO 薄膜与 STO 衬底均含氧空位时，发现只要 STO 侧的氧空位不非常接近界面，2DEG 就保留。这些 GAO/STO 异质结构中 2DEG 的低温迁移率被认为由电离杂质散射主导，且约为 LaAlO/SrTiO 异质结中的 3 至 11 倍。2DEG 的高迁移率主要归因于 GAO/STO 异质结构中较小的电子有效质量。
引用
@article{arxiv.2202.12248,
title = {High-mobility two-dimensional electron gas in $\gamma$-Al$_2$O$_3$/SrTiO$_3$ heterostructures},
author = {Xiang-Hong Chen and Zhi-Xin Hu and Kuang-Hong Gao and Zhi-Qing Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.12248},
year = {2022}
}
备注
10 pages, 6 figures