丹麥、德國與中國科學家在鈦酸鍶(strontium titanate, STO)與氧化鋁(Al2O3)介面間產生高導電二維電子氣(two-domensioanl electron gas, 2DEG)。STO與氧化鋁為自然界中絕緣性最好的陶瓷材料，而此電子氣可作為全氧化物電子系統甚至介觀(mesoscopic)量子元件中的導電介面。
鈦酸鍶是具有鈣鈦礦(perovskite)結構的寬能隙絕緣體，常作為生長高溫超導、巨磁阻及多鐵電材料的基板。科學家也在STO-氧化物異質結構中發現許多有趣的性質，例如準二維電子氣行為、磁性、電阻開關、巨熱電效應及高離子導電性，意味著這類材料有希望應用於全氧化物電子學、熱電子學以及固態氧化物燃料電池中。
兩年前，丹麥科技大學的Yunzhong Chen與其合作者發現一種以STO為基礎的新型異質結構，該結構儘管有一非晶覆蓋層，仍具有導電介面。最近，同一研究團隊(包含丹麥本哈根大學、德國萊布尼茲固態材料研究所及中國北京凝聚態物理國家實驗室)發現，氧化鋁能以磊晶方式成長於STO上，而兩種材料的介面處會產生電子氣。
該團隊使用脈衝雷射蒸鍍(pulsed laser deposition, PLD)，以具有剛玉結構的α-氧化鋁顆粒為靶材，在經二氧化鈦鈍化(TiO2-terminated)的STO單晶基板上成長γ-氧化鋁，並在製程中以反射式高能電子繞射儀(RHEED)觀察薄膜成長。
實驗顯示上述尖晶石(spinel)/鈣鈦礦結構中的2DEG在2K時的霍爾(Hall)遷移率超過105 cm2/Vs，是目前被研究得最多的鑭鋁氧化物(LAO)/STO系統的100倍。這是因為尖晶石/鈣鈦礦介面較少缺陷或雜質來散射電子，此外，兩種材料的晶格非常匹配，其不匹配率只有1%，為LAO/STO介面的1/3。此超高電子遷移率可應用於介觀量子元件及一般氧化物電子學。
該團隊目前正研究如何製作更佳的介面，並預期能觀察到許多新物理性質，譬如介面磁性、超導性，甚至是量子霍爾效應。詳見Nature Communications | doi:10.1038/ncomms2394。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:劉家銘(奈米科學網)
責任編輯:蔡雅芝