超低电压电子束光刻技术实现LaAlO3/SrTiO3界面可编程化：迈向氧化物电子器件规模化制备新纪元

本文创新性地采用超低电压电子束光刻技术（ULV-EBL），在LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO）界面实现了高效、高精度的介观结构制备。相比传统导电原子力显微镜（c-AFM）技术，ULV-EBL将图案化速度提升至10 mm/s（vs 1 μm/s），工作面积扩大至>(10 cm)2（vs <90 μm2），并在真空环境下保持图案质量。通过该技术成功制备出具有一维超导性、非线性电流-电压特性和弹道电子输运的纳米线、隧道势垒和电子波导，同时开发了氧等离子体处理新方法用于图案擦除，为复杂氧化物异质结的可编程器件开发提供了全新解决方案。

　　

1 引言

复杂氧化物界面尤其是LaAlO₃（LAO）与SrTiO₃（STO）的界面，因其二维电子气（2DEG）表现出的金属-绝缘体转变、超导性、铁磁性和强自旋轨道耦合等特性，成为研究新兴电子现象的理想平台。传统导电原子力显微镜（c-AFM）虽能实现纳米级精度图案化，但存在速度慢（1 μm/s）、工作面积小（<90 μm²）及大气环境下图案易挥发等问题。

2 结果

2.1 按需纳米电子器件

纳米线与导电通道

通过ULV-EBL制备的宽度分别为1 μm、200 nm和20 nm的纳米线，在50 mK下均表现出超导转变（T_c≈350 mK）。值得注意的是，临界电流（15-20 nA）与通道宽度无关，证实了超导性仅存在于边缘区域的"一维特性"，这与STO载流子浓度的"超导穹顶"理论相符。

隧道势垒

通过预留未曝光间隙（25-300 nm）形成的势垒表现出显著的非线性I-V特性，其微分电阻在低偏压区呈现高峰值。相比c-AFM通过负偏压切割形成的势垒，ULV-EBL能直接通过光刻设计精确控制势垒尺寸。

电子波导

在500 nm长的波导中观察到清晰的朗道量子化电导平台，外加磁场（B=3 T）可使第一子能带分裂，这与电子配对态的存在一致。该结果与c-AFM制备的波导器件质量相当，但ULV-EBL的图案化速度提升达4个数量级。

2.2 氧等离子体擦除技术

在SEM腔室内集成氧等离子体处理系统（Evactron E50）后，发现处理过程存在三阶段动力学：真空环境中电导率呈指数衰减、氮气氛围下线性衰减、空气暴露后迅速绝缘化。意外的是，等离子体处理会先引起电导率激增（40→100 μS），这归因于等离子体产生的正离子在LAO表面积累形成的强局域电场。

3 讨论

ULV-EBL在分辨率（10 nm vs c-AFM的2 nm）和原位擦除能力上略逊于c-AFM，但其图案化速度（10 mm/s）、工作面积（>100 cm²）和真空环境兼容性使其更适合大规模器件制备。二者在弹道输运等物理现象的实现能力上相当，但ULV-EBL为从原理验证转向实际应用提供了可能。

4 结论

该技术为LAO/STO界面工程提供了可扩展的解决方案，特别是在制备超导量子器件阵列和相干电子波导方面具有独特优势。结合氧等离子体的表面反应动力学研究，为界面化学调控开辟了新途径。

5 实验方法

采用脉冲激光沉积（PLD）在TiO₂终止的STO衬底上生长3.4单位晶胞厚度的LAO薄膜，通过反射高能电子衍射（RHEED）实时监控生长过程。器件制备采用双层光刻工艺：第一层通过氩离子铣削25 nm形成界面电极，第二层制备表面电极。ULV-EBL使用Zeiss Gemini 450 SEM系统，在100 V加速电压、3 mm工作距离和25 nA束流条件下操作，并通过原位电学测量监控图案化过程。