LaFeO3 /SrTiO3 界面二维电子气的非侵入式探测：基于顶部叉指电容的突破性方法

研究人员针对深埋氧化物界面二维电子气(2DEG)难以直接探测的难题，创新性地采用顶部叉指电容非侵入检测技术，首次在未处理的SrTiO3 衬底上实现了LaFeO3 /SrTiO3 异质结界面2DEG的远程表征。该研究为复杂氧化物界面电子态调控及新型器件开发提供了新范式。

　　

【研究背景】
在复杂氧化物异质结领域，LaAlO₃
/SrTiO₃
(LAO/STO)等界面处形成的二维电子气(2DEG)因其独特的量子限域效应备受关注。然而传统检测方法需直接接触导电界面，且通常要求STO衬底经过复杂的化学/热处理获得TiO₂
终止面。这些限制严重阻碍了深埋界面的无损表征与器件集成应用。更棘手的是，关于2DEG的形成机制至今存在电子重构、氧空位和阳离子混排三种假说的争论，而LaFeO₃
(LFO)/STO体系在未处理衬底上的界面行为更是未知领域。

【技术方法】
研究团队通过脉冲激光沉积(PLD)在不同氧分压(5-60 Pa)下制备LFO/STO异质结，采用射频磁控溅射制备金叉指电极进行电容检测，结合聚焦离子束(FIB)加工范德堡结构进行界面输运测量。借助球差校正扫描透射电镜(STEM)和积分差分相位衬度(IDPC)成像解析原子位移，通过能量色散X射线谱(EDX)绘制元素分布图。

【研究结果】
3.1 远程电容测量
• 发现LFO/STO异质结的平面电容值比传统模型预测高3个数量级，通过修正含2DEG的Kino方程完美拟合实验数据，首次实现非侵入式界面导电性检测。

3.2 输运测量
• 在5 Pa氧压下生长的样品呈现典型金属性行为，载流子密度达10¹⁴
cm^-2
，而60 Pa样品显示半导体特性并在105 K出现电阻异常峰，与STO立方-四方相变相关。

3.3 界面导电起源
• STEM显示5 Pa样品具有完美的LaO/TiO₂
界面和协同氧位移，而高压样品存在阳离子混排和极化抵消，证实氧空位与极性场协同作用机制。

3.4 电阻异常机制
• 13 Pa样品的电阻异常源于STO相变时域壁电荷钉扎/释放的动态过程，纳米尺度电流路径断裂导致宏观电阻突变。

3.5 未处理表面重构
• 发现FeO₂
/SrO界面会动态转变为LaO/TiO₂
终止面，解释了未处理衬底仍能形成n型界面的反常现象。

【结论与意义】
该研究突破性地将电容检测深度拓展至纳米级界面，建立了"极性场调控-氧空位迁移-界面重构"的2DEG形成新模型。发表在《Applied Surface Science》的这项工作不仅解决了深埋界面表征的技术瓶颈，更揭示了LFO/STO体系在未处理衬底上自发形成导电界面的物理机制，为开发非易失性存储器和可调谐电容器件提供了新思路。特别是发现的动态界面重构现象，为设计新型自组装氧化物电子器件开辟了道路。