موضوع مقاله: سطح مرزی لانتان آلومینات- تیتانات استرانسیم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سطح مرزی لانتان آلومینات- تیتانات استرانسیم | مقدمه: سطح مرزی بین لانتان آلومینات (LaAlO3) و تیتانات استرانسیم (SrTiO3) یک مرز قابل توجه در بین مواد است زیرا خواصی را نشان می‌دهد که در مواد تشکیل‌دهنده آن به‌طور جداگانه وجود ندارد. | ## بخش 1: سطح مرزی لانتان آلومینات- تیتانات استرانسیم | اما سطح مرزی LaAlO3/SrTiO3 می‌تواند خواص مقاومت الکتریکی، ابررسانایی، فرومغناطیس،مقاومت مغناطیسی منفی بزرگ درون صفحه‌ای، و فوتورسانندگی پایدار غول‌پیکر از خود نشان دهد. وابستگی زاویه‌ای نوسانات شوبنیکوف-دهاس نشان‌دهنده آن است که رسانایی دو بعدی است، که باعث می‌شود بسیاری از محققان از آن به عنوان یک گاز الکترونی دو بعدی (2DEG) یاد کنند. دو بعدی بودن به این معنی نیست که ضخامت رسانایی صفر است، بلکه به این معناست که الکترون‌ها فقط در دو جهت حرکت می‌کنند. گاهی نیز به آن مایع الکترونی دو بعدی (2DEL) نیز می‌گویند تا بر اهمیت برهمکنش‌های بین الکترونی تأکید شود. رسانایی همچنین هنگامی که SrTiO3 با فضای خالی اکسیژن آلایش شده باشد نیز ایجاد می‌شود. SrTiO3 یک‌نیمه رسانا با شکاف انرژی گسترده‌است که می‌تواند به روش‌های مختلف با نیم‌رسانا نوع N مورد آلایش قرار گیرد. چهار فرضیه اصلی عبارتند از: دروازه قطبی جای خالی اکسیژن آمیخته شدن تغییر شکل سازه‌ای دروازه قطبی دروازه قطبی اولین مکانیزمی بود که برای توضیح رسانایی در سطح مرزی بین LaAlO3/SrTiO3 استفاده شد. فرض می‌شود که LaAlO 3 که در جهت ۰۰۱ قطبی است (با صفحات متناوب بار مثبت و منفی)، به عنوان یک دروازه الکترواستاتیک در نیمه رسانای SrTiO3 عمل می‌کند. هنگامی که لایه LaAlO3 ضخیم‌تر از سه سلول واحد رشد می‌کند، انرژی ظرفیت پیوند آن از تراز فرمی بالاتر می‌رود و باعث ایجاد حفره‌هایی (یا جای خالی اکسیژن با بار مثبت)در سطح بیرونی LaAlO3 می‌شود. نقطه قوت فرضیه دروازهٔ قطبی این است که توضیح می‌دهد چرا رسانایی به ضخامت حداقلی چهار سلول واحد LaAlO3 نیاز دارد و توضیح می‌دهد که چرا رسانایی نیاز دارد تا SrTiO3 به TiO2 خاتمه یابد. فرضیه دروازهٔ قطبی همچنین توضیح می‌دهد که چرا آلیاژ کردن LaAlO3 ضخامت حداقلی رسانایی را افزایش می‌دهد. یکی از ضعف‌های این فرضیه این است که پیش‌بینی می‌کند که لایه‌های LaAlO3 باید یک میدان الکتریکی داخلی از خود نشان دهند. تاکنون، آزمایش‌های گسیل نوری اشعه ایکس و آزمایش‌های دیگر میدان داخلی کمی در لایه‌های LaAlO3 نشان داده‌اند. فرضیه دروازهٔ قطبی همچنین نمی‌تواند توضیح دهد که چرا وقتی لایه‌های LaAlO3 نازک‌تر از ضخامت حداقلی برای هدایت هستند، Ti3+ شناسایی می‌شود. | ## بخش 2: سطح مرزی لانتان آلومینات- تیتانات استرانسیم | فرضیه دروازهٔ قطبی گاهی اوقات فرضیه فاجعه قطبی نامیده می‌شود، که به سناریوی خلاف واقع اشاره می‌کند که در آن الکترون‌ها در سطح مشترک جمع نمی‌شوند و در عوض ولتاژ در LaAlO3 تا بی‌نهایت افزایش میابد. به این فرضیه، فرضیه بازسازی الکترونیکی نیز گفته می‌شود، که این واقعیت را برجسته می‌کند که الکترون‌ها، نه یون‌ها، برای جبران ولتاژ درحال افزایش حرکت می‌کنند. جای خالی اکسیژن فرضیه دیگر این است که رسانایی از الکترون‌های آزاد به جا مانده از جای خالی اکسیژن در SrTiO3 به وجود می‌آید. SrTiO3 به راحتی توسط جاهای خالی اکسیژن آلایش می‌شود، بنابراین این در ابتدا یک فرضیه امیدوارکننده در نظر گرفته می‌شد. با این حال، اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون، چگالی فضای خالی اکسیژن را بسیار کمتر از چگالی حداقلی لازم برای الکترون آزاد شده اندازه‌گیری کرده‌اند. یک مطالعه سیستماتیک در یک فضای پارامتر رشد گسترده، نقش‌های متفاوتی را توسط تشکیل فضای خالی اکسیژن و دروازه‌های قطبی در سطح‌های مرزی مختلف نشان داد. یک تفاوت آشکار بین فضای خالی اکسیژن و دروازه قطبی در ایجاد رسانایی مرز این است که حامل‌های خالی اکسیژن از نظر حرارتی فعال هستند، زیرا سطح اهداکننده جای خالی اکسیژن معمولاً از پیوند هدایت SrTiO3 جدا می‌شود و در نتیجه اثر انجماد حامل را نشان می‌دهد. در مقابل در دمهای پایین؛ حامل‌هایی که از دروازه قطبی منشأ می‌گیرند به نوار رسانایی SrTiO3 (اوربیتال‌های Ti 3d) منتقل می‌شوند و بنابراین منحط می‌شوند. مطالعات متعدد نشان داده‌اند که اختلاط در مرز صورت می‌گیرد؛ با این حال، مشخص نیست که آیا اختلاط کافی برای ارائه همه حامل‌های آزاد وجود دارد یا خیر. تغییر شکل سازه‌ای فرضیه چهارم این است که ساختار کریستالی LaAlO3 در پاسخ به کرنش از سمت SrTiO3 تحت چرخش‌های هشت وجهی قرار می‌گیرد. در سال ۲۰۱۱، محققان دانشگاه استنفورد از یک اسکن اسکوئد برای تصویربرداری مستقیم از فرومغناطیس استفاده کردند و دریافتند که این موضوع در تکه‌های ناهمگن رخ می‌دهد. با این حال، برخلاف رسانایی، مغناطیس در سطوح منتهی به SrO و همچنین سطوح منتهی به TiO2 دیده شد. کشف فرومغناطیس در یک سیستم مواد که همچنین ابررسانا است، موجی از تحقیق و بحث را برانگیخت، زیرا فرومغناطیس و ابررسانایی تقریباً هرگز با هم وجود ندارند. فرومغناطیس برای تراز کردن به چرخش‌های الکترون نیاز دارد، در حالی که ابررسانایی معمولاً به چرخش‌های الکترونی برای ضد تراز شدن نیاز دارد. | ## بخش 3: سطح مرزی لانتان آلومینات- تیتانات استرانسیم | مقاومت مغناطیسی اندازه‌گیری مقاومت مغناطیسی یک ابزار آزمایش اصلی است که برای درک خواص الکترونیکی مواد استفاده می‌شود. مقاومت مغناطیسی سطح مرزی LaAlO3/SrTiO3 برای آشکار کردن ماهیت دو بعدی رسانش، غلظت حامل (از طریق اثر هال)، تحرک الکترون‌ها و موارد دیگر استفاده شده‌است. میدان اعمال‌شده خارج از صفحه در میدان مغناطیسی کم، مقاومت مغناطیسی LaAlO3/SrTiO3 در مقابل میدان سهموی است، همان‌طور که برای یک فلز معمولی انتظار می‌رود. با این حال، در میدان‌های بالاتر، به نظر می‌رسد که مقاومت مغناطیسی در مقابل میدان خطی می‌شود. مقاومت مغناطیسی خطی می‌تواند دلایل زیادی داشته باشد، اما تاکنون هیچ توافق علمی در مورد علت مقاومت مغناطیسی خطی در سطح مرزی LaAlO3/SrTiO3 وجود ندارد. مقاومت مغناطیسی خطی نیز در کریستال‌های خالص SrTiO3 اندازه‌گیری شده‌است، بنابراین ممکن است با خواص نوظهور سطح مرزی ارتباطی نداشته باشد. مقاومت مغناطیسی منفی بزرگ درون صفحه به برهمکنش مدار چرخشی تقویت‌شده سطح مرزی نسبت داده شده‌است. نکته مهم در بدست آوردن توزیع الکترون، این است که باید ثابت دی الکتریک وابسته به میدان SrTiO3 را در نظر گرفت. مقایسه با سایر گازهای الکترونی دو بعدی گاز الکترونی دو بعدی که در سطح مرزی LaAlO3/SrTiO3 بوجود می‌آید به دو دلیل اصلی قابل توجه است. دوم، اگر فرضیه دروازه‌ای قطبی درست باشد، گاز الکترونی دوبعدی این پتانسیل را دارد که بر خلاف سایر گازهای الکترونی دوبعدی که برای شکل‌گیری نیاز به آلایش یا دروازه دارند، کاملاً عاری از درهم‌ریختگی باشد. با این حال، تاکنون محققان نتوانسته‌اند مرزی را ترکیب کنند که شرایط مطلوب نابجایی کم را تحقق بخشند. مواد ساییده شده از هدف خارج می‌شوند و روی یک کریستال گرم شده SrTiO3 فرود می‌آیند. | ## جمع‌بندی | با این حال، کاربردهایی پیشنهاد شده‌اند، از جمله دستگاه‌های اثر میدانی، حسگرها، آشکارسازهای نوری، و ترموالکتریک؛ LaVO3/SrTiO3 نیز می‌تواند با راندمان پاییندر سلول‌ها خورشیدی استفاده شود.