Ionic modulation at the LaAlO$_3$/KTaO$_3$ interface for extreme high-mobility two-dimensional electron gas
由于二维超导电性和大的Rashba自旋轨道耦合等多种涌现现象的共存，基于5d过渡金属氧化物的二维电子系统（2DESs）被认为是现代电子学的潜在应用领域之一。然而，尽管电子质量更轻，但5d氧化物器件中载流子的迁移率（高性能器件的关键要求）仍然远远落后于它们的3d氧化物类似物。这些氧化物中的载流子迁移率受到生长过程中不可避免的缺陷的阻碍。在这里，我们报告了限制在LaAlO $_3$ /KTaO $_3$界面的5d-2DES的非常高的迁移率（$\sim$ 22650 cm $^2$ V $^{-1}$ s $^{-1}$）。在室温下使用离子液体选通实现了高迁移率，其超过了在相同载流子密度范围内在LaAlO $_3$ /SrTiO $_3$和$γ$ $_2$ O $_3$ /SrTiO $_3$系统中观察到的值。我们假设离子液体门控影响氧空位，并有效地减少界面处的任何无序。在宽的背栅电压范围内研究密度和迁移率，我们发现迁移率遵循幂律$μ\propto n^{1.2}$，表明离子液体栅控LaAlO $_3$ /KTaO $_3$器件具有非常高的质量，与我们的假设一致。此外，在高磁场中测量的量子振荡的分析证实，高迁移率的电子占据的电子子带出现从Ta：5d轨道的KTaO $_3$。
2022-09-26 cond-mat.mtrl-sci
Uniaxial strain tuning of polar lattice vibrations in KTaO$_3$ and SrTiO$_3$
针对STO和KTO中接近铁电相变但关键问题存争议的现状，结合非弹性中子散射、拉曼光谱和从头算，研究应变诱导相变中软极性声子演化，揭示LST关系违背及金属态STO低临界应力相变，解决长期问题并为相关材料提供参考。
2025-11-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Molecular Beam Epitaxy of KTaO$_3$
应变工程是一种强有力的手段来调整初始铁电体的极性，结构和电子不稳定性。KTaO 3在电子掺杂样品中表现出各向异性的超导电性，接近极性不稳定性。在这里，我们展示了高品质的KTaO 3薄膜的分子束外延生长。钽是由一个低氧化物源发出TaO 2通量从Ta 2 O 5包含在一个传统的泻流单元，以及电子束加热的钽源。在TaO $_2$（或钽）分子束中同时加入过量的钾以及臭氧和氧气的混合气体（10% O3 + 90% O2）以生长KTaO $_3$薄膜。劳厄条纹表明，薄膜是一个突变的膜/基片界面光滑。横截面扫描透射电子显微镜没有显示出任何扩展的缺陷，并确认该膜具有原子突变的界面与基板。原子力显微镜揭示了生长的薄膜表面的原子台阶。倒易空间映射表明，当薄膜足够薄时，其与SrTiO $_3$（001）和GdScO $_3$（110）衬底相干应变。
2022-12-29 cond-mat.mtrl-sci
Patterning of superconducting two-dimensional electron gases based on AlO$_x$/KTaO$_3$(111) interfaces
二维电子气（2DEG）在氧化物界面上显示出的多功能特性促进了人们对受限系统中奇异电磁效应的研究。特别令人感兴趣的是最近发现的超导状态出现在（111）取向的KTaO $_3$界面中，其临界温度$T_c \approx 2$ K几乎是基于SrTiO $_3$的2DEG的10倍。正如在基于SrTiO $_3$的2DEG中一样，由于2DEG的易碎性和体KTaO $_3$在偶然的氧空位掺杂时在器件外部变得导电的倾向，在这种新系统中制造器件是一个技术挑战。本文介绍了三种不同的AlO $_x$ /KTaO $_3$ ~（111）异质结霍尔栅图形化技术。该设备显示超导转变范围从1.3 K到1.78 K，与有限的退化从未图案化的薄膜，并使有效的调整的载流子密度的电场效应。该阵列的技术允许定义的通道具有大范围的尺寸的各种类型的设备的设计，以探索该系统的性能下降到纳米级。
2022-10-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Band Structure and Spin-Orbital Texture of the (111)-KTaO3 Two-Dimensional Electron Gas
氧化物中的二维电子气（2DEG）在发现新的物理现象和电子学应用方面显示出巨大的潜力。在这项工作中，我们使用角分辨光电子能谱来确定稳定在强自旋轨道耦合材料KTaO 3的（111）取向表面的2DEG的电子结构。我们的测量揭示了多个子带，出现作为量子限制的结果，并形成一个六重对称费米面。这种电子结构可以通过自洽紧束缚超原胞计算很好地再现。基于这些计算，我们确定的自旋和轨道纹理的2DEG。我们表明，2DEG费米面是来自体J = 3/2状态，并表现出非常规的各向异性Rashba的自旋简并提升。自旋动量锁定仅适用于高对称性方向，并且强的面外自旋分量使自旋织构三重对称。我们发现，费米面上的平均自旋分裂是一个数量级大于SrTiO 3，这应该转化为（111）-KTaO 3 2DEG为基础的设备的自旋-轨道响应的增强。
2019-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Oxygen vacancy induced electronic structure modification of KTaO$_3$
带绝缘体LaAlO $_3$和SrTiO $_3$之间的金属界面的观察导致了大量的努力，以了解这种现象的起源，以及寻找其他系统托管这样的二维电子气（2-DEG）。然而，2-DEG的起源的理解经常受到阻碍，因为几种可能的机制，如极性突变，阳离子混合和氧空位（OV）等，可以同时起作用。重元素的存在使基于KTaO $_3$（KTO）的2-DEG成为研究自旋轨道耦合驱动的新型电子和磁现象的潜在平台。在这项工作中，我们调查的OV，这使得KTO金属的唯一效果。我们详细的\textit{ab initio}计算不仅发现部分填充的导带中存在的OV，但也预测一个高度本地化的中间间隙状态，由于在Ta周围的OV的线性集群。光致发光测量确实揭示了存在这样的中间间隙状态和O $K$边缘X射线吸收光谱发现电子掺杂在Ta $t_{2g}^*$反键状态。目前的工作表明，在解释KTO基2-DEG的金属行为时，应谨慎考虑KTO衬底内可能存在的OV。
2020-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Discovery of two-dimensional anisotropic superconductivity at KTaO$_3$ (111) interfaces
在材料之间的界面处发现的独特电子结构可以允许非常规的量子态出现。在这里，我们观察到在（111）取向的KTaO $_3$和EuO或LaAlO $_3$的绝缘覆盖层之间的界面处形成的电子气的超导性。超导转变温度接近2.2 K，比LaAlO $_3$ /SrTiO $_3$系统高一个数量级。引人注目的是，在（001）KTaO $_3$界面上的类似电子气在低至25 mK时保持正常。临界场和电流-电压测量表明，超导性是二维的。高迁移率的EuO/KTaO $_3$（111）样品在超导开始之前在低温下显示出大的输运性质的面内各向异性，这表明出现了条纹状相，其中超导性在一个方向上几乎是均匀的，但在另一个方向上强烈调制。
2020-04-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Subband structure of a two-dimensional electron gas formed at the polar surface of the strong spin-orbit perovskite KTaO$_3$
我们证明了在$5d$过渡金属氧化物KTaO $_3$的$(100)$表面形成二维电子气。从角分辨光电子能谱中，我们发现量子限域提升了体能带结构的轨道简并度，并导致了由轻、重载流子的子带态阶梯组成的2DEG。尽管有很强的自旋-轨道耦合，我们的测量提供了一个直接的上限为潜在的Rashba自旋分裂只有$Δ{k}_\parallel\sim\0.02$ $^{-1}$在费米能级。与非极性SrTiO $_3(100)$相比，KTaO $_3(100)$表面的极性性质似乎有助于介导2DEG的形成。
2011-11-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Tuning the thermoelectric properties of SrTiO3 by controlled oxygen doping
我们报告的热电性能（塞贝克系数，热导率和电阻率）的轻掺杂单晶（001）取向的SrTiO 3（STO）。霍尔效应的测量结果表明，通过在严格控制的条件下对晶体进行真空退火，可以使每个晶胞中的电子掺杂量达到10^-5左右。陡峭的状态密度附近的费米能STO在这个掺杂水平（确认从头计算）保留了异常大的塞贝克系数，尽管在电子电导率增加了几个数量级。这种效应与由于空位无序散射导致的热导率降低相结合，使得STO（和其他材料）中的本征掺杂成为优化其热电品质因数的替代策略。
2012-11-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Spin-charge interconversion in KTaO$_3$ two-dimensional electron gases
氧化物界面表现出广泛的物理效应源于破缺反转对称性。特别地，当时间反演对称性也被破坏时，它们可以显示非互易现象，例如，通过施加磁场。例子包括允许自旋电流和电荷电流之间相互转换的直接和逆Edelstein效应（DEE，IEE）。在基于钙钛矿SrTiO $_3$（STO）的界面中研究了DEE和IEE，尽管在单独的研究中集中于一个或另一个。这些效果的演示仍然大多难以捉摸的其他氧化物界面系统，尽管他们在过去的十年中蓬勃发展。在这里，我们报告的DEE和IEE在一个新的界面二维电子气（2DEG）的钙钛矿氧化物KTaO $_3$的基础上观察。我们通过简单的Al金属沉积到KTaO $_3$单晶上产生2DEG，通过角分辨光电子能谱和磁输运对其进行表征，并通过单向磁电阻和自旋泵浦实验证明DEE和IEE。我们比较的自旋-电荷相互转换效率与基于STO的接口，将其与2DEG电子结构，并给出了实施的KTaO $_3$ 2DEG自旋轨道电子器件的前景。
2021-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
First-principles modeling of the thermoelectric properties of SrTiO$_3$/SrRuO$_3$ superlattices
采用基于密度泛函理论和玻尔兹曼半经典理论的第一性原理模拟方法，计算了SrTiO $_3$ /SrRuO $_3$周期超晶格中单层SrRuO $_3$中半金属二维电子气的输运和热电性质.接近费米能，我们发现，半导体多数自旋通道显示出非常大的面内分量的塞贝克张量在室温下，$S$ = 1500 $μ$ V/K，和少数自旋通道显示出良好的面内电导率$σ$ = 2.5（m $Ω$ cm）$^{-1}$。然而，与Hicks和Dresselhaus模型关于由于金属电子的限制而增强的全局热电性能的期望相反，我们发现减少掺杂的总功率因数和热电优值对于实际应用来说太小。这种失败的原因可以追溯到界面气体的电子结构，这与模型所基于的自由电子行为不同。的电子结构，电导率，塞贝克系数，功率因数作为化学势的函数的演变是由一个简化的紧束缚模型解释。我们发现系统中的电子气是由一对相互正交的一维电子气组成的。这反映了电子系统的物理维度甚至可以小于载流子的空间限制的物理维度的事实。
2012-05-02 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio study of the strain dependence of thermopower in electron-doped SrTiO$_3$
在本文中，我们探讨了不同的机制，影响带绝缘钙钛矿（在这种情况下，SrTiO $_3$）的热电势时，受到应变（压缩或拉伸）。我们分析了高温下的熵控制极限和低温下的能量输运机制。我们观察到，在高温塞贝克系数的应变的效果是小的热电应用感兴趣的浓度水平。然而，有效质量随应变而显著变化，这产生与应变产生的简并破碎相反的效果。特别是，我们发现，热电势可以通过施加拉伸应变在适当的制度。我们的结论是，由于带分裂的热电势应变的不利影响是一个轻微的影响，不会妨碍优化的热电性能的氧化物与t $_{2g}$ -活性带通过施加应变。
2016-06-14 cond-mat.mtrl-sci
Coexisting two-dimensional electron and hole gases highly confined at the interfaces of undoped KTaO3-sandwiching heterostructures
二维电子气（2DEG）在基于钙钛矿结构SrTiO $_3$（STO）的界面和表面中表现出各种有趣的现象，并被用于开发氧化物电子学。近年来，KTaO $_3$（KTO）显示出巨大的潜力，被认为具有更令人兴奋的效应和现象，有望成为新型器件。本文通过第一性原理研究和分析，发现当KTO厚度达到临界值时，在未掺杂的STO/KTO/BaTiO $_3$异质结构中，二维电子气（2DEG）和二维空穴气（2DHG）共存.这两个界面对于A型由（SrO）$^0$ /（TaO $_2$）$^+$和（KO）$^-$ /（TiO $_2$）$^0$制成，对于B型由（TiO $_2$）$^0$ /（KO）$^-$和（TaO $_2$）$^+$ /（BO）$^0$制成。二维电子载流子来自TaO $_2$原子层界面处的Ta-$5 d_{xy}$态，空穴载流子来自另一界面处的O- $2 p_x/p_y$轨道.电子和空穴有效质量分别为0.3 $m_0$和$1.06\sim 1.12 m_0$，其中$m_0$是自由电子的质量，并且2D载流子浓度为$10 ^{13}$ cm $^{-2}$的量级。我们的分析表明，由于界面处极性不连续引起的能带弯曲和KTO层内应力诱导的极化，界面2DEG和2DHG同时形成。这可能会刺激对新现象和新设备的更多探索。
2022-01-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Enhanced effective mass in doped SrTiO3 and related perovskites
有效质量是决定Seebeck系数和电子电导率的主要因素之一。Nb掺杂增加有效质量的原因有两个，晶格常数增加和电子效应。在这个从头算研究的有效质量估计从电子能带的曲率，它可以澄清，SrTiO 3晶体的变形有显着的影响，带隙和有效DOS和带质量，这两者都是在极好的协议的实验数据。然而，由于Nb掺杂高达0.2at%而导致的伽马点附近的e2 g带平坦化的电子效应是有效质量增加的主要因素。La的掺杂显示出有效质量的线性减小;这是由A-和B-位点的不同周围环境解释的。在SrTiO 3中的A位上的Ba和B位上的V等其他元素的取代也被发现增加了有效质量。
2009-04-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Heavy non-degenerate electrons in doped strontium titanate
轻掺杂SrTiO $_3$的室温金属性是令人困惑的，因为迁移率和有效质量的组合意味着平均自由程（mfp）低于Mott Ioffe Regel（MIR）极限和散射时间短于普朗克时间（$τ_P=\hbar/k_BT$）。我们提出的电阻率，塞贝克系数和非弹性中子散射扩展到很高的温度，加深了这个难题的研究。金属电阻率持续到900 K，并伴随着一个大的塞贝克系数，其幅度（以及其温度和掺杂的依赖性）表明，随着温度的升高，载流子变得越来越重。结合中子散射数据，我们发现，在500 K和900 K之间，玻尔半径和电子波长变得彼此相当，晶格参数的两倍。根据我们的研究结果，在100 K和500 K之间，金属丰度部分由温度引起的载流子质量放大驱动。我们将这种非简并电子的质量放大与更知名的重简并电子的情况进行对比。在500 K以上，平均自由程继续缩小，尽管变得比原子间距离和电子的热波长都短。后者饱和到晶格参数的两倍。现有的极化准粒子理论不能对我们的观测提供满意的解释。
2020-05-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
BinPo: An open-source code to compute the band structure of two-dimensional electron systems
我们介绍BinPo，一个开源的Python代码来计算二维电子系统的电子性质。其用途集中于基于ABO $_3$钙钛矿结构的系统，例如SrTiO $_3$和KTaO $_3$，因为它们在材料界的影响和在自旋电子器件中的可能应用日益增加。BinPo有一个薛定谔-泊松求解器来获得板系统中的自洽势能。紧束缚平板哈密顿量是由最大局域Wannier函数基上的转移积分生成的，因而比传统的紧束缚方法具有更高的精度.可以计算能带结构、能量切片和其他性质以及不同的投影和取向。可以生成高分辨率和可扩展的仿真图形。在BinPo中，优先考虑易用性，效率，可读性和模块化，因此适合以低计算成本产生可靠的电子结构模拟。除了代码本身，我们还提供了来自第一性原理计算的文件、使用说明和其广泛功能的详细示例。我们详细介绍了代码中使用的方法，以便它可以进一步利用和适应其他问题，如添加新材料和功能，可以加强初始代码范围。
2022-03-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.quant-gas
