|
以色列研究人員使用奈米碳管(carbon nanotube)掃描式單電子電晶體(single-electron transistor, SET)，開發出一套非侵入式探測方法。此裝置以前所未有的解析度顯示材料的電性與機械性質，並已被用來研究鈦酸鍶(SrTiO3 或 STO)內不同晶域(crystal domain)的運動。此晶域運動似乎能解釋STO異常大的壓電性質，而不同類型的晶域則會影響鑭鋁氧化物/鈦酸鍶(LaAlO3/SrTiO3 或 LAO/STO)導電介面處的電荷行為。
STO為具鈣鈦礦結構的寬能隙絕緣體，常作為成長高溫超導銅氧化物、巨磁阻錳氧化物以及多鐵性材料的基板。在2004年，研究人員發現LAO/STO介面間會形成準二維傳導電子系統，稍後並發現一些獨特性質，如可藉由閘極調控之磁性、超導性和自旋軌道相互作用，使LAO/STO一躍成為具潛力的氧化物電子新平台。。
此SET裝置由以色列魏茨曼(Weizmann)科學研究所Shahal Ilani等人所製作，他們把奈米碳管置於掃描探測懸臂的前端，此時碳管扮演量子點(quantum dot)的角色，形成一個SET，並可透過附近的閘極精準控制電流。由於此電流對於周圍環的電荷非常敏感，因此可用來繪製局部靜電位圖。此外，藉由在材料與SET間施加一電位差並測量兩者間局部電容的改變，可獲得該材料局部機械性質的改變，譬如材料的表面形貌以及壓電響應。
標準表面探測技術如掃描穿隧式顯微術無法對埋藏在材料中的介面(如STO與LAO間的介面)進行探測，上述技術此時特別有用。團隊成員Joseph Sulpizio進一步解釋，他們的掃描探針能同時測量材料的電性與機械性質，亦即能測量LAO/STO介面的形貌、局部壓電響應以及電位能等。成像結果顯示STO具有不同晶域，且能以閘極電壓加以控制。
此實驗解釋了STO中強烈壓電性質的來源。在低溫下，STO的結構相會經歷變形成直角棱柱晶體結構，這些棱柱有一長軸及二短軸，而單位晶胞有長軸平行或垂直平面兩種方向選擇。他們發現閘極電壓的變化可改變單位晶胞的方向，而由於單位晶胞的邊長不同，此改變會造成STO表面高度的不同，顯示此材料的大壓電性與微觀晶域的運動有關。
該研究團隊目前正積極研究如何電性操控此STO晶域，並且計畫以更高解析度為電位能造影，以分辨物理現象是發生於晶域中間或邊界。詳見Nature Materials｜doi:10.1038/nmat3810。 |