Onderzoekers ontdekken afstembaar 2D-elektronengas op het heterogrensvlak van 5d-iridaten

Onlangs ontdekte de onderzoeksgroep van professor Yang Xiaoping aan het High Magnetic Field Laboratory, het Hefei Institute of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen, een afstembaar en regelbaar monoatomair laag tweedimensionaal elektronengas (2DEG) gelokaliseerd op het heterogrensvlak.

De onderzoeksresultaten waren gepubliceerd in ACS toegepaste elektronische materialen.

De Mott-isolator-metaalovergang is een belangrijk onderwerp in de fysica van de gecondenseerde materie vanwege het potentieel ervan voor apparaattoepassingen en supergeleiding bij dotering. In 5d-iridaten is de spin-baankoppeling (SOC) veel sterker dan in 3d-overgangsmetaaloxiden, waardoor deze vergelijkbaar is met kristalveldsplitsing en elektron-elektroninteracties. Dit resulteert in de Ir 5d-t_2g bands die zich splitsen in J_effe = 3/2 en J_effe = 1/2 subbanden.

Momenteel worden kunstmatige heterointerfacetechnieken op grote schaal gebruikt om de elektronische structuur en eigenschappen van materialen te manipuleren.

In deze studie onderzochten onderzoekers de elektronische eigenschappen van (SrIrO₃)_M/(LaTiO₃)₁ superroosters met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie. Ze merkten op dat er een gehele ladingsoverdracht plaatsvindt tussen LaTiO₃ en SrIrO₃aangedreven door de gecombineerde effecten van polariteitsverschillen op het grensvlak en octaëdrische vervormingen van zuurstof.

Het aantal overgedragen elektronen op elk Ir-atoom kan worden geregeld door de A-plaats van LaTiO te doteren₃ of het variëren van de SrIrO₃ laagnummer m, waardoor de oxidatietoestanden van Ir worden gemoduleerd. Dit leidde tot een verscheidenheid aan elektronische toestanden, waaronder niet-magnetische bandisolatoren, ferromagnetische metalen, ferrimagnetische Mott-isolatoren en ferrimagnetische metalen.

Er ontstaat een gemengde valentietoestand wanneer er ten minste twee lagen SrIrO aanwezig zijn₃. Dit leidt tot een isolator-metaalovergang wanneer de SrIrO₃ laagnummer m is groter dan of gelijk aan 3.

Het meest interessante is dat de ladingsoverdracht en de vorming van een tweedimensionaal elektronengas (2DEG) alleen plaatsvinden in de enkele atomaire laag van IrO₂ waar de materialen samenkomen, ongeacht de SrIrO₃ laagdikte. Dit is anders dan de 3D LaAlO₃/SrTiO₃ systeem, waarbij de 2DEG dieper in het materiaal reikt dan alleen de interface.

Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten op nanoschaal en de verkenning van tweedimensionale onconventionele iridaat-supergeleiding.