SCATTERING MECHANISMS AND ELECTRON TRANSPORT IN CaZrO3/SrTiO3 HETEROSTRUCTURE

Abstract

In this study, scattering mechanisms and transport properties of a two-dimensional electron gas (2DEG) in CaZrO3/SrTiO3 (CZO/STO) heterostructures were theoretically investigated. The origin of 2DEG in the CZO/STO system mainly comes from a polarization discontinuity due to compressive strain and redox reactions from interface charge donors and oxygen vacancies. The temperature dependent electron mobility data from the CZO/STO heterostructures were analyzed and modeled various electron scattering mechanisms. The electron mobilities were calculated based on the scattering potential models as background impurities, interface roughness, electron-electron and polaron-LO phonon. It was found that the total mobility based on Matthiessen’s rule provided good quantitative agreement with experimental data over entire temperature (T=2-295K) and CZO-thicknesses ranges. In terms of the consideration of scattering mechanisms, and low-temperature mobility was limited by background impurities and interface roughness scattering. A crossover between background impurity scattering and interfacial roughness scattering was observed with increasing carrier density. At 10K < T < 150K, electron–electron scattering was the main scattering mechanism, while, electron–electron and polaron-LO phonon scatterings were dominant at room temperature.

งานวิจัยนี้ทำการศึกษาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับกลไกการกระเจิงและสมบัติการขนส่งของอิเล็กตรอนแก๊สสองมิติในโครงสร้างเฮทเทอโร CaZrO3/SrTiO3 (CZO/STO) โดยที่มาของอิเล็กตรอนแก๊สสองมิติในระบบเกิดจากการเหนี่ยวนำของความไม่ต่อเนื่องของ โพลาไรเซชันเนื่องจากความเครียดอัดของชั้นแคลเซียมเซอร์คอเนตและกลไกการให้อิเล็กตรอนจากไอออนบวกที่ผิวรอยต่อและช่องว่างอะตอมออกซิเจนในชั้นสตรอนเทียมไททาเนต ข้อมูลสภาพเคลื่อนที่ได้ของอิเล็กตรอนที่แปรผันกับอุณหภูมิจากโครงสร้างเฮทเทอโร CZO/STO ถูกนำมาวิเคราะห์และสร้างแบบจำลองกลไกการกระเจิงของอิเล็กตรอน โดยสภาพเคลื่อนที่ได้ของอิเล็กตรอนถูกคำนวณภายใต้อิทธิพลของพลังงงานศักย์การกระเจิงแบบต่างๆ ได้แก่ สารเจือพื้นหลัง ความไม่เรียบของผิวรอยต่อ อันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอน และโฟนอนเชิงแสงแนวขนาน จากการศึกษาพบว่าสภาพเคลื่อนที่ได้รวมตามหลักของแมทไธเซนให้ผลสอดคล้องกับผลการทดลองเป็นอย่างดีที่ช่วงอุณหภูมิ 2 ถึง 295 เคลวิน และที่ความหนาของชั้นฟิล์มแคลเซียมเซอร์คอเนตต่างๆ การวิเคราะห์กลไกการกระเจิงพบว่าสภาพเคลื่อนที่ได้ของอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิต่ำเกิดจากอิทธิพลการกระเจิงของสารเจือพื้นหลังและความไม่เรียบของผิวรอยต่อ และยังพบการเปลี่ยนกลไกการกระเจิงจากอิทธิพลของสารเจือพื้นหลังไปเป็นความไม่เรียบของผิวรอยต่อเมื่อความหนาแน่นอิเล็กตรอนสูงขึ้น สภาพเคลื่อนที่ได้ของอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิ 10 ถึง 150 เคลวิน พบว่าการกระเจิงของอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนเป็นกลไกการกระเจิงหลัก ขณะที่การกระเจิงของอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนและโฟนอนเชิงแสงแนวขนานเป็นกลไกการกระเจิงหลักที่อุณหภูมิห้อง