氧化物界面二维电子液体的光电协同场效应研究获进展

　　研究发现，当条件合适时，在电子关联氧化物异质界面LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）附近可形成二维电子液体。与常规半导体二维电子气不同，势阱中的电子具有d电子特征，可以占据不同的d轨道，从而带来了一系列新特性，例如磁场依赖的输运行为、铁磁性和超导电性等。

　　由于维度限制，二维电子体系通常表现出强场效应-门电压可以大幅度调节电子浓度与迁移率，从而使体系历经不同量子状态，进而大大拓宽新奇物理效应的探索空间。通过磁场与门电压的组合调控，在二维电子气体系中人们曾经发现了一系列新奇量子效应，例如量子霍尔效应与分数量子霍尔效应。最典型的半导体晶体管场效应管也是以场效应为基础的。

　　场效应对二维电子体系的调节是建立在电容效应的基础上的，通过电容的充放电过程，实现对异质界面电子气体浓度以及迁移率的调控。但是，LAO/STO 异质界面的二维电子液体浓度比常规半导体二维电子气高近一个量级，远远超出了电容效应调控的范围，因而寻找新的调控原理与方法是二维电子液体新奇物理效应探索的关键。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室孙继荣课题组博士研究生雷雨、李莹等通过光电协同作用，发现了新的场效应调控原理，进而实现了氧化物二维电子液体输运行为的大范围调控。他们发现，光激发与门电压的协同作用可以导致SrTiO3界面晶格膨胀，对称性破缺，进而出现光电诱导的界面电极化，后者产生了对于异质界面电子液体的额外调控，使场效应大幅度增强。以异质界面电阻的调控为例，新机制导致的电阻变化比单独门电压调控的效果高近两个量级。他们还进一步揭示了光电协同调控的原理，发现电场导致LAO/STO 附近氧空位在SrTiO3中的迁移。伴随这一过程，SrTiO3晶格平行于电场方向发生明显膨胀。电场单独作用下，这一过程非常慢以致很难测量，原因是氧空位通常聚集成团，迁移率极低。光激发导致了氧空位团簇解体，大大提高了氧空位的迁移率，因而晶格畸变过程加速。这一工作不但揭示了SrTiO3这一典型的复杂氧化物体不为人知的一面，更重要的展示了多场协同调控的巨大潜力，为二维电子液体新奇物理效应的探索拓展了新空间。这一工作发表在Nature Communications上 【Nat. Comms. 5, 5554(2014)】。相关研究得到了国家自然科学基金委员会和科技部有关基金的支持。

a, 实验设置示意图；b, a-LAO/STO 面电阻随着光辐照以及门电压的变化，激光功率P=32 mW， 波长 λ=532 nm；c, 无光激发情况下面电阻的变化细节；d, 归一化面电阻；e, c-LAO/STO 面电阻随着光辐照以及门电压的变化。所有数据都是在室温下到采集的。

a, a-LAO/STO 的霍尔电阻，测量电流=10μA，数据是在不同的门电压与光激发条件下得到；b, 载流子浓度和面电阻随着激光能量的变化，虚线是外推得到的 nS-P 关系；c, a-LAO/STO 的电容与偏压的依赖关系，测量作用交流偏压振幅为0.5 V，频率为5 kHz；d, 实现是利用关系式ΔnS=ε0εVG/d计算得到的。红色与蓝色曲线的结果分别对应0 与100V 下STO的介电常数。符号是实验结果。

a, XRD实验设置示意图；b, STO 002 衍射峰随着门电压的变化，激光功率P=100 mW, 波长λ=532 nm，在主衍射峰的低角度一端出现肩膀，表明沿着电场方向发生晶格膨胀，途中数字是所施加的偏压；c, 有无光激发时晶格常数的比较，可以清楚的看到光激发对晶格畸变的加速作用。

a, 由于LAO制备过程中STO氧离子的向外扩散，LAO/STO 界面附近氧空位浓明显高于内部，从而导致界面二维电子液体. 氧空位可能主要处于深能级，束缚一个电子 （V ⋅ O s）；b, 偏压作用下氧空位相STO内部迁移，同时导致界面STO对称性破缺，出现界面电极化。由于V ⋅ O s 迁移率极低，单独的偏压难以驱动明显的空位移动，因此只有界面部分出现轻微极化；c, 光辐照激发了被空位束缚的电子，使空位从V ⋅ O 转变成V ⋅⋅ O ，导致迁移率大大提高以及明显的界面晶格畸变与电极化，产生额外场效应。