Les physiciens de NUS ont développé une nouvelle méthodologie pour déterminer l'impact des effets d'écran sur la mobilité des porteurs de charge à l'interface de structures matérielles complexes.

Hétérostructures d'oxydes, qui sont composés de couches de différents matériaux d'oxyde, présentent des propriétés physiques uniques à leurs interfaces (jonction entre deux matériaux oxydes). Ces propriétés n'existent pas dans leurs composés parents. Un exemple est l'hétérostructure d'oxyde comprenant un film d'aluminate de lanthane (LaAlO 3 ) sur titanate de strontium (SrTiO 3 ) pouvant présenter des propriétés à la fois isolantes et conductrices selon l'épaisseur du film. Quand le LaAlO 3 l'épaisseur du film est augmentée et devient 4 cellules unitaires (~20 nm) ou plus, les propriétés du matériau à l'interface changent brusquement d'être électriquement isolant à électriquement conducteur (métallique) avec une mobilité électronique élevée (la vitesse du flux d'électrons). Cependant, il y a une compréhension limitée sur le mécanisme de cette mobilité électronique élevée et les paramètres physiques qui influencent ce comportement inhabituel.

L'équipe de recherche co-dirigée par le Pr Andrivo RUSYDI et le Pr ARIANDO, tous deux du Département de physique et de l'Institut des nanosciences et nanotechnologies (NUSNNI) NanoCore, NUS a développé une nouvelle méthodologie impliquant une combinaison de techniques de mesure avancées (ellipsométrie spectroscopique, spectroscopie d'absorption des rayons X mous au synchrotron et mesures de transport de charges) pour déterminer l'influence des charges localisées sur la mobilité des électrons à l'interface oxyde. Ces charges localisées peuvent protéger (ou "écran") des électrons de telle sorte qu'ils ne se "voient" pas, réduisant considérablement la répulsion coulombienne entre eux. L'écran de la répulsion coulombienne permet de réduire les effets de corrélation entre les électrons. C'est ce qu'on appelle "l'effet d'écran" et il permet aux électrons à l'interface de voyager avec une plus grande mobilité. La nouvelle méthode développée par l'équipe de recherche NUS leur a permis de détecter à la fois les électrons blindés et non blindés, éclairant ainsi comment ils dictent les propriétés électroniques d'une hétérostructure d'oxyde complexe, en particulier à une interface enterrée.

Les chercheurs impliqués dans cette équipe ont appliqué cette méthode à une hétérostructure oxyde constituée de tantalate de lanthane strontium aluminium ((La 0,3 Sr 0,7 )(Al 0,65 Ta 0,35 )O 3 (LSAT) et SrTiO 3 . Ils ont découvert la présence d'un nouvel état midgap peuplé de charges localisées (qui sont transférées depuis la surface du LSAT) à l'interface. Un état midgap est un état se produisant dans la bande interdite optique. De façon intéressante, ils ont découvert qu'un tel état intermédiaire est responsable de la détermination des propriétés de transport de l'interface. Lorsqu'il y a des charges plus localisées à l'interface, les électrons mobiles sont en outre protégés de ceux du matériau en vrac environnant. Cela augmente considérablement la mobilité électronique de l'interface.

Les chercheurs ont également découvert que la mobilité des électrons augmente avec l'épaisseur de la couche LSAT et est associée à une augmentation de l'état midgap (ayant des charges plus localisées). L'effet de blindage électronique joue un rôle prépondérant dans la mobilité des électrons à l'interface, ce qui dans ce cas a entraîné une augmentation de la mobilité des électrons de plus de 25 fois.

Le professeur Rusydi a dit, "Notre découverte montre l'importance de l'effet de filtrage électronique dans la détermination de la mobilité des électrons à l'interface d'hétérostructures d'oxydes complexes. Les techniques expérimentales développées fournissent une nouvelle méthodologie pour étudier les propriétés d'une interface de matériau enterré. Avec ces nouvelles connaissances, les scientifiques des matériaux peuvent développer des matériaux avancés dotés de propriétés uniques pour de nouvelles fonctionnalités d'appareils."