氮化物多层膜作为平行二维电子-空穴气体的平台：MgO/ScN(111)

在绝缘氧化物LaAlO₃和SrTiO₃的界面，已经观测到并广泛研究了二维电子气体（2DEG），而预测的空穴气体（2DHG）由于氧2p轨道中空穴的强局域化倾向而未能实现。这里，我们通过第一性原理计算，提出了一类未被探索的材料，用于实现平行的二维（2D）双载流子（电子+空穴）气体：氮化物-氧化物异质结构，以(111)取向的ScN和MgO为具体例子。超过五个ScN层的临界厚度后，该界面容纳了空间分离的Sc-3d电子和N-2p空穴，各自约束在约两个原子层内——过渡金属氮化物同时提供两种气体。指导性概念是N³⁻阴离子应促进稳健的双载流子二维空穴传导，相较于O²⁻而言；金属单氮化物大多是金属性的甚至是超导的，而大多数金属单氧化物是绝缘的。第二个有利因素是，过渡金属离子的密度，因此resulting 2DG的密度，对于岩盐(111)界面来说大约是钙钛矿(001)界面的三倍。我们的结果，包括对每个导电层分别计算的霍尔系数和热电性，为新的探索提供了指导，无论是实验还是理论，涉及基于氮化物的导电气体，应促进对长期寻求的奇异态的研究，例如新的激子相和独特的纳米尺度平行超导纳米层。