Coexistence of surface oxygen vacancy and interface conducting states in LaAlO3/SrTiO3 revealed by low-angle resonant soft X-ray scattering

异质结 材料科学 氧化物 表面状态 凝聚态物理 散射 绝缘体(电) 极地的 极化(电化学) 电子结构 曲面(拓扑) 化学 光电子学 物理 光学 物理化学 冶金 数学 几何学 天文
作者
Ming Yang,Ariando Ariando,Caozheng Diao,J. C. T. Lee,Kaushik Jayaraman,M. B. A. Jalil,S. Smadici,Shengwei Zeng,Jun Zhou,Weilong Kong,Mark B. H. Breese,S. Dhar,Yuan Ping Feng,Peter Abbamonte,T. Venkatesan,Andrivo Rusydi
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2306.05608
摘要

Oxide heterostructures have shown rich physics phenomena, particularly in the conjunction of exotic insulator-metal transition (IMT) at the interface between polar insulator LaAlO3 and non-polar insulator SrTiO3 (LaAlO3/SrTiO3). Polarization catastrophe model has suggested an electronic reconstruction yielding to metallicity at both the interface and surface. Another scenario is the occurrence of surface oxygen vacancy at LaAlO3 (surface-Ov), which has predicted surface-to-interface charge transfer yielding metallic interface but insulating surface. To clarify the origin of IMT, one should probe surface-Ov and the associated electronic structures at both the surface and the buried interface simultaneously. Here, using low-angle resonant soft X-ray scattering (LA-RSXS) supported with first-principles calculations, we reveal the co-existence of the surface-Ov state and the interface conducting state only in conducting LaAlO3/SrTiO3 (001) films. Interestingly, both the surface-Ov state and the interface conducting state are absent for the insulating film. As a function of Ov density, while the surface-Ov state is responsible for the IMT, the spatial charge distribution is found responsible for a transition from two-dimensional-like to three-dimensional-like conducting accompanied by spectral weight transfer, revealing the importance of electronic correlation. Our results show the importance of surface-Ov in determining interface properties and provides a new strategy in utilizing LA-RSXS to directly probe the surface and buried interface electronic properties in complex oxide heterostructures.
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