Polarity-field driven conductivity in SrTiO$_3$/LaAlO$_3$: a hybrid functional study
在极突变的框架下，对出现在带绝缘体$\rm SrTiO_3$和$\rm LaAlO_3$（001）界面上的二维电子系统（2DES）的起源进行了合理化解释.这意味着极性$\rm LaAlO_3$覆盖层（$4~\rm u.c.$）的临界厚度的存在对于2DES的出现：厚$\rm LaAlO_3$覆盖层的极性灾难通过齐纳击穿或在$\rm LaAlO_3$表面处的施主缺陷的稳定来避免，两者都提供电子以掺杂衬底。在实验中观察到临界厚度的观察，支持这些假设。然而，关于这些可能的机制中哪一个实际上首先发生，仍然存在公开辩论。使用混合功能的密度泛函理论，我们重新审视这些机制在同一水平的近似。特别是，我们澄清这些异质结构中的施主缺陷的作用，并认为，在通常的生长条件下，电场驱动的稳定的氧空位和氢吸附在LAO表面发生在一个较小的LAO厚度比齐纳击穿所需的。
2020-05-26 cond-mat.mtrl-sci
Tuning the two-dimensional electron gas at the LaAlO3/SrTiO3(001) interface by metallic contacts
第一性原理计算表明，在LaAlO 3/SrTiO 3（001）上添加金属覆盖层可消除极性LaAlO 3薄膜内的电场，从而抑制未覆盖薄膜中观察到的厚度依赖的绝缘体-金属转变。与LaAlO 3厚度无关，表面和界面都是金属性的，在金属化过渡之后，相对于LaAlO 3/SrTiO 3（001）具有增强的界面载流子密度。此外，单层厚的金属Ti接触表现出有限的磁矩和薄SrTiO 3-衬底诱导自旋极化的2D电子气在n-型界面由于限制效应。给出了M/LaAlO_3/SrTiO_3（001）的能带排列图和M=Ti、Al和Pt的肖特基势垒。
2011-06-21 cond-mat.mtrl-sci
Transition from reconstruction towards thin film on the (110) surface of strontium titanate
金属氧化物的表面通常被重构为具有与块体的简单终止显著不同的几何形状和组成。这样的结构也可以被视为外延在衬底上的外延膜。在这里，SrTiO 3（110）表面的重建研究结合扫描隧道显微镜，透射电子衍射和X射线吸收光谱，并与密度泛函理论计算分析。虽然SrTiO 3（110）总是以二氧化钛的覆盖层终止，但随着密度的增加，其结构从nx 1和2xn切换。同时，Ti原子的配位从角共享四面体的网络转变为具有八面体配位锶的桥接单元的边缘共享八面体的双层。从nx1到2xn重构的这种转变是从假晶稳定的四面体网络向八面体二氧化钛薄膜的转变，其中在表面处从八面体氧化锶单元消除应力。
2016-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Tunable 2D Electron- and 2D Hole States Observed at Fe/SrTiO$_3$ Interfaces
Universität Konstanz（康斯坦茨大学）；Technische Universität Dortmund（多特蒙德工业大学）；Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心有限公司）；Paul Scherrer Institute（保罗谢尔研究所）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）
研究通过共振光电谱揭示了STO基异质结中可调的二维电子和空穴带结构，通过调节Fe基界面层的氧化态实现载流子类型的切换，拓展了氧化物电子学的应用前景。
2023-12-15 cond-mat.mtrl-sci
Tailoring a two-dimensional electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 (001) interface by epitaxial strain
最近，在绝缘氧化物之间的界面处发现了金属状态，最著名的是LaAlO 3和SrTiO 3。由于二维电子气在纳米电子学中的潜在应用，二维电子气的性质引起了人们极大的兴趣。对2DEG的这种载流子密度和迁移率的控制对于这些新系统的应用是必不可少的，并且可以通过外延应变来实现。然而，尽管氧化物材料的性质，如铁电性，磁性和超导性的应变效应的丰富的性质，在LaAlO 3/SrTiO 3异质界面的2DEG的应变和电性能之间的关系仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们使用不同晶格常数的单晶衬底来产生具有受控水平的双轴外延应变的LaAlO 3/SrTiO 3界面。我们已经发现，拉伸应变SrTiO 3破坏导电2DEG，而压缩应变SrTiO 3保留2DEG，但与未应变的LaAlO 3/SrTiO 3界面相比，载流子浓度降低。我们还发现，2DEG形成的临界LaAlO 3覆盖层厚度随SrTiO 3压缩应变而增加。我们的第一性原理计算表明，应变引起的电极化的强度在SrTiO 3层是负责这种行为。它被引导远离界面，因此产生与极性LaAlO 3层相反的负极化电荷。这既增加了LaAlO 3层的临界厚度，又降低了临界厚度以上的载流子浓度，与我们的实验结果一致。我们的研究结果表明，外延应变可以用来定制的LaAlO 3/SrTiO 3异质界面的2DEG属性。
2010-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Lithography-free patterning of SrTiO$_3$-based two-dimensional electron gases using direct atomic layer processing
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）；ATLANT 3D
该研究开发了一种无光刻的直接原子层加工技术，可在SrTiO₃衬底上制备二维电子气，其性能与传统方法相当，且工艺简单、成本低、兼容工业，适用于器件制备与输运研究。
2026-08-13 cond-mat.mtrl-sci
Tuning the two-dimensional electron liquid at oxide interfaces by buffer-layer-engineered redox reactions
极性不连续性和氧化还原反应提供了在氧化物界面产生二维电子液体（2DEL）的替代途径。在这里，我们报告的高迁移率2DELs在界面涉及SrTiO 3（STO）实现使用极性La 7/8 Sr 1/8 MnO 3（LSMO）缓冲层，以操纵极性和氧化还原反应，从无序overlayers在室温下生长。使用共振X射线反射实验，我们量化氧化还原反应从氧化物覆盖层STO以及极性诱导的电子重建在外延LSMO/STO接口。分析揭示了这些效果如何可以结合在STO/LSMO/无序膜三层系统，以产生高迁移率调制掺杂的2DEL，其中缓冲层经历了从钙钛矿到brownmillerite结构的部分转变。这揭示了通过缓冲层的极性不连续性和氧化还原反应之间的相互作用，为功能氧化物界面的设计提供了一种新的方法。
2017-10-23 cond-mat.mtrl-sci
Spin polarization of the two-dimensional electron gas at the EuO/SrTiO$_3$ interface
本文通过MCDAD实验和DFT+U计算证明EuO/STO界面二维电子气在EuO仅两个单层时即自旋极化，且极化随EuO层数增加而增强，表明该界面是氧化物电子学中构建多功能自旋极化二维电子气的理想平台。
2024-12-29 cond-mat.mtrl-sci
High-Mobility Two-Dimensional Electron Gases at Oxide Interfaces: Origins and Opportunities
二维电子气（2DEG）在绝缘复合氧化物之间的明确界面的发现为新一代全氧化物电子学提供了机会。特别地，在由式ABO 3表示的两种钙钛矿绝缘体（例如LaAlO 3和SrTiO 3）之间的界面处的2DEG引起了显著的关注。近年来，人们在揭开界面导电起源之谜、设计新型氧化物界面以及显著提高界面载流子迁移率等方面取得了进展。这些成就为复杂氧化物的基础物理和应用物理的探索打开了大门。在这里，我们回顾了我们最近的实验工作，金属和绝缘界面控制的界面氧化还原反应SrTiO 3基异质结构。由于在SrTiO 3表面存在氧空位，当覆盖层氧化物ABO 3在B位点涉及Al、Ti、Zr或Hf元素时，可以在室温下在钙钛矿型界面中产生金属导电。此外，依靠界面稳定的氧空位，我们在SrTiO 3和具有相容氧离子亚晶格的尖晶石γ-Al 2 O 3外延膜之间的异质界面处产生了新型的2DEG。尖晶石/钙钛矿氧化物2DEG表现出超过100，000 cm 2 V-1 s-1的电子迁移率，比迄今为止研究的钙钛矿型界面的电子迁移率高一个数量级以上。我们的研究结果为高迁移率全氧化物电子器件的设计铺平了道路，并为复杂氧化物介观物理的研究开辟了一条道路。
2013-09-09 cond-mat.mtrl-sci
Polar morphologies from first principles: PbTiO$_3$ films on SrTiO$_3$ substrates and the $p(2 \times Λ)$ surface reconstruction
由铁电（FE）PbTiO $_3$（PTO）和量子顺电SrTiO $_3$（STO）组成的低维结构是诸如极波、磁通闭合畴和极性Skyrmion相的复杂极化织构的宿主。密度泛函理论（DFT）模拟可以提供对这种顺序的深入了解，但是，受到模拟数千个所需原子所需的计算工作量的限制。为了解决这个问题，我们使用新的多站点支持函数（MSSF）的DFT方法，以减少电子基态的解决方案的时间，同时保持高精度。使用MSSFs，我们模拟STO衬底上的薄膜PTO薄膜与系统大小的$>2000$原子。在极坐标极限下，具有圆柱形手征气泡的极波织构作为全通量封闭域和面内极化之间的中间相出现。这是由[001]方向上的成分破缺反转对称性产生的内部偏置场驱动的。由于这种偏置场的确切性质敏感地取决于膜的边界条件，这通知一个新的设计原则，通过仔细选择基板，表面终止或使用覆盖层操纵手性秩序的纳米尺度。反铁磁畸变（AFD）秩序局部相互作用，这些极性纹理产生强大的FE/AFD耦合在PbO终止表面驱动$p(2 \times Λ)$表面重建。这为铁电性的局部控制提供了另一条途径。
2020-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Irreversible multi-band effects and Lifshitz transitions at the LaAlO3/SrTiO3 interface under field effect
本研究探究了场效应下LaAlO3/SrTiO3界面的不可逆多带效应与Lifshitz转变，通过双带分析发现结晶与非晶界面电子性质相似，正背栅电压步引发的不可逆电荷耗尽推动系统从双带转为单带行为。
2025-02-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Strain-driven sign interchange of surface two-dimensional electron and hole gases in KTaO3 thin film
自从LaAlO 3/SrTiO 3界面二维电子气的发现以来，钙钛矿氧化物中的二维载气因其能承载许多重要现象并可能用于制备新型功能器件而引起了人们的极大关注。在这里，我们表明，有一对表面二维电子和空穴气体在KTaO 3薄膜，它们可以通过施加双轴应力进行调谐。对于增加的压缩面内应变，2D载流子浓度下降到零，然后形成一对新的表面2D电子和空穴气体，并且载流子符号互换。我们的分析表明，这种载流子符号交换的发生是因为增加的压缩应变反转沿[001]方向的单层分辨静电势的斜率。此外，我们还提出了应变相关的载流子浓度和有效质量和它们的厚度依赖性，并表明，表面二维载气和它们的应变驱动的符号交换可以持续，即使在存在的覆盖层和外延衬底。这些现象对设计新型功能器件具有一定的指导意义。
2018-04-19 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
