von Li Miao und Zhao Weiwei, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften
Kürzlich entdeckte die Forschungsgruppe von Professor Yang Xiaoping am High Magnetic Field Laboratory, den Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ein abstimmbares und steuerbares zweidimensionales Elektronengas (2DEG) mit monoatomarer Schicht, das an der Heterogrenzfläche lokalisiert ist.
Die Forschungsergebnisse waren veröffentlicht In ACS Angewandte elektronische Materialien.
Der Mott-Isolator-Metall-Übergang ist aufgrund seines Potenzials für Geräteanwendungen und der Supraleitung bei Dotierung ein Schlüsselthema in der Physik der kondensierten Materie. In 5d-Iridaten ist die Spin-Bahn-Kopplung (SOC) viel stärker als in 3d-Übergangsmetalloxiden, was sie mit der Kristallfeldaufspaltung und Elektron-Elektron-Wechselwirkungen vergleichbar macht. Dies führt dazu, dass sich die Ir 5d-t2g-Bänder in Jeff = 3/2- und Jeff = 1/2-Teilbänder aufspalten.
Derzeit werden künstliche Heterogrenzflächentechniken häufig eingesetzt, um die elektronische Struktur und Eigenschaften von Materialien zu manipulieren.
In dieser Studie untersuchten Forscher die elektronischen Eigenschaften von (SrIrO3)m/(LaTiO3)1-Übergittern mithilfe der Dichtefunktionaltheorie. Sie beobachteten, dass zwischen LaTiO3 und SrIrO3 ein ganzzahliger Ladungstransfer stattfindet, der durch die kombinierten Effekte von Grenzflächenpolaritätsunterschieden und oktaedrischen Sauerstoffverzerrungen angetrieben wird.
Die Anzahl der übertragenen Elektronen an jedem Ir-Atom kann durch Dotierung der A-Stelle von LaTiO3 oder durch Variation der SrIrO3-Schichtzahl m gesteuert werden, wodurch die Oxidationsstufen von Ir moduliert werden. Dies führte zu einer Vielzahl elektronischer Zustände, darunter nichtmagnetische Bandisolatoren, ferromagnetische Metalle, ferrimagnetische Mott-Isolatoren und ferrimagnetische Metalle.
Ein gemischter Valenzzustand entsteht, wenn mindestens zwei Schichten SrIrO3 vorhanden sind. Dies führt zu einem Isolator-Metall-Übergang, wenn die SrIrO3-Schichtzahl m größer oder gleich 3 ist.
Das Interessanteste ist, dass der Ladungstransfer und die Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) nur an der einzelnen Atomschicht von IrO2 stattfinden, wo die Materialien aufeinandertreffen, unabhängig von der Dicke der SrIrO3-Schicht. Dies unterscheidet sich vom 3D-LaAlO3/SrTiO3-System, bei dem das 2DEG tiefer in das Material über die Grenzfläche hinaus reicht.
Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Entwicklung neuartiger nanoskaliger elektronischer Oxidgeräte und die Erforschung der zweidimensionalen unkonventionellen Iridat-Supraleitung.
Weitere Informationen:
Miao Li et al., Abstimmbarer 5d-t2g-Mott-Zustand und zweidimensionales Elektronengas mit monoatomarer Schicht, realisiert in spin-bahngekoppeltem SrIrO3 durch Heterostrukturierung, ACS Angewandte elektronische Materialien (2024). DOI: 10.1021/acsaelm.4c01015
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