I fisici del NUS hanno sviluppato una nuova metodologia per determinare l'impatto degli effetti di screening sulla mobilità dei portatori di carica all'interfaccia di strutture materiali complesse.

eterostrutture di ossido, che sono composti da strati di diversi materiali di ossido, mostrano proprietà fisiche uniche alle loro interfacce (giunzione tra due materiali di ossido). Queste proprietà non esistono nei loro composti genitori. Un esempio è l'eterostruttura di ossido comprendente un film di alluminato di lantanio (LaAlO ₃ ) su titanato di stronzio (SrTiO ₃ ) che possono mostrare proprietà sia isolanti che conduttive a seconda dello spessore del film. Quando il LaAlO ₃ lo spessore del film viene aumentato e diventa 4 celle unitarie (~20 nm) o più, le proprietà del materiale all'interfaccia cambiano bruscamente dall'essere elettricamente isolanti a elettricamente conduttive (metalliche) con elevata mobilità degli elettroni (la velocità del flusso di elettroni). Però, c'è una comprensione limitata del meccanismo di questa elevata mobilità degli elettroni e dei parametri fisici che influenzano questo comportamento insolito.

Il gruppo di ricerca co-guidato dal Prof Andrivo RUSYDI e dal Prof ARIANDO, entrambi dal Dipartimento di Fisica e Nanoscienze e Nanotechnology Institute (NUSNNI) NanoCore, NUS ha sviluppato una nuova metodologia che prevede una combinazione di tecniche di misurazione avanzate (ellissometria spettroscopica, spettroscopia di assorbimento di raggi X molli basata su sincrotrone e misurazioni del trasporto di carica) per determinare l'influenza delle cariche localizzate sulla mobilità degli elettroni all'interfaccia dell'ossido. Queste cariche localizzate possono schermare (o "schermare") gli elettroni in modo tale che non si "vedano" l'un l'altro, riducendo significativamente la repulsione coulombiana tra di loro. Lo screening della repulsione di Coulomb aiuta a ridurre gli effetti di correlazione tra gli elettroni. Questo è noto come "effetto di schermatura" e consente agli elettroni all'interfaccia di viaggiare con maggiore mobilità. Il nuovo metodo sviluppato dal team di ricerca NUS ha permesso loro di rilevare sia gli elettroni schermati che quelli non schermati, facendo così luce su come dettano le proprietà elettroniche di una complessa eterostruttura di ossido, in particolare a un'interfaccia sepolta.

I ricercatori coinvolti in questo team hanno applicato questo metodo a un'eterostruttura di ossido costituita da tantalato di alluminio e stronzio di lantanio ((La _0,3 Sr _0.7 )(Al _0,65 Ta _0,35 )O ₃ (LSAT) e SrTiO ₃ . Hanno scoperto la presenza di un nuovo stato midgap popolato da cariche localizzate (che vengono trasferite dalla superficie di LSAT) all'interfaccia. Uno stato midgap è uno stato che si verifica all'interno del gap di banda ottica. interessante, hanno scoperto che un tale stato midgap è responsabile della determinazione delle proprietà di trasporto dell'interfaccia. Quando ci sono più addebiti localizzati nell'interfaccia, gli elettroni mobili sono ulteriormente schermati da quelli del materiale sfuso circostante. Ciò aumenta significativamente la mobilità degli elettroni di interfaccia.

I ricercatori hanno anche scoperto che la mobilità degli elettroni aumenta con lo spessore dello strato LSAT ed è associata a un aumento dello stato midgap (con cariche più localizzate). L'effetto di schermatura elettronica svolge un ruolo dominante nella mobilità degli elettroni all'interfaccia, che in questo caso ha determinato un miglioramento della mobilità degli elettroni di oltre 25 volte.

Il professor Rusydi ha detto, "La nostra scoperta mostra l'importanza dell'effetto di schermatura elettronica nel determinare la mobilità degli elettroni all'interfaccia di eterostrutture complesse di ossido. Le tecniche sperimentali sviluppate forniscono una nuova metodologia per studiare le proprietà di un'interfaccia di materiale sepolto. Con queste nuove intuizioni, gli scienziati dei materiali possono sviluppare materiali avanzati con proprietà uniche per nuove funzionalità dei dispositivi".