离子轰击诱导的 SrTiO₃ 表面金属-绝缘体转变

SrTiO₃ 是各种复杂氧化物薄膜生长中最常用的绝缘单晶衬底之一，因为它与许多复杂氧化物薄膜具有良好的晶格匹配。本文中，我们展示了一种常见的薄膜处理技术——氩离子研磨——会在 STO 表面产生高导电层，不仅在室温下，而且在热扩散被完全抑制的低温下也是如此。在真空环境中对单晶 STO 衬底进行了系统的原位四点电导测量。从绝缘 STO 中金属性的演化遵循基于氧空位掺杂效应的简单模型。在低温下，离子研磨产生了一个薄——但比氩穿透深度厚得多——的稳态氧空位层，导致高度集中的金属态。然而，在接近室温时，发生了显著的热扩散，金属态持续扩散到体相内部，仅在表面留下低浓度的电子载流子。对实验与模型之间差异的分析也为空位聚集提供了证据，这似乎在任何空位形成过程中都会发生，并影响观测到的电导。这些观察结果表明，对于使用离子研磨等能量方法在 STO 衬底上加工的薄膜，其输运性质需要谨慎对待。另一方面，如果控制得当，离子轰击可以作为一种在 STO 表面创建选择性导电层的方法，用于器件应用。