Al?O?/SrTiO?异质结构中霍尔效应的温度依赖性异常

《Physica B: Condensed Matter》：Anomalous temperature dependence of Hall effect in Al 2O 3/SrTiO 3 heterostructures

本研究探究了Al?O?/SrTiO?异质结构中高电子浓度下的异常温度依赖霍尔效应。通过双带模型分析，发现界面附近通道A与基底通道B的电子迁移率差异由特有横向光学声子散射引起，导致中间温度区（10–150 K）非线性霍尔响应增强，揭示了氧化物异质结构中散射机制的新 insight。

　　

J.B. Yan|Y. Yang|D.B. Zhou|T. Lin|K.H. Gao

天津大学物理系，天津低维材料物理与制备技术重点实验室，中国天津300354

摘要

本研究探讨了高电子浓度Al₂O₃/SrTiO₃异质结构中霍尔效应的异常温度依赖性。与传统系统不同，在中等温度范围（10–150 K）内，霍尔电阻并非随温度升高而减小，反而表现出异常增强现象。通过双带模型分析，这种行为归因于两种不同的电子传输通道：一种局限于界面附近（通道A），另一种延伸至SrTiO₃基底（通道B）。关键机制是两种通道间电子迁移率的差异，这种差异由仅存在于界面限制的通道A中的额外横向光学声子散射所驱动。这种散射导致中等温度下迁移率差异增大，从而增强了非线性霍尔响应，为氧化物异质结构中的散射机制提供了新的见解。

引言

基于SrTiO₃的二维电子气异质结构因其展现出的独特物理现象（如高电子迁移率、超导性、线性磁阻效应和铁磁性质）而受到广泛关注[1], [2], [3], [4]。伴随铁磁性的出现，通常还会出现异常霍尔效应：霍尔电阻对外部磁场的依赖性表现出非线性[5], [6]。这种界面行为已被广泛研究，以探索拓扑霍尔效应和量子异常霍尔效应等奇特现象[7], [8], [9]。与异常霍尔效应类似，多种载流子的共存也会导致霍尔电阻的非线性场依赖性[10], [11]。通常情况下，这种由异常霍尔效应和多种载流子共存引起的非线性场依赖性会随着温度升高而减弱，并在较高温度下消失。这一现象在其他复杂氧化物界面（如ZnO基和KTaO₃基异质结构）中也有所发现[12], [13], [14]。在本文中，我们研究了Al₂O₃/SrTiO₃异质结构的电传输特性，发现其在低温时表现出轻微的非线性场依赖性，而在中等温度区域这种依赖性得到增强，这与常规实验结果相反。我们将其归因于该温度区域出现了额外的散射机制。

实验细节

采用磁控溅射技术在SrTiO₃（001）基底上沉积Al₂O₃薄膜形成异质结构，其结构示意图见图1(a)插图。溅射前，先将SrTiO₃基底在酸溶液中蚀刻（$$），然后在氧气气氛中退火，以在Al₂O₃层与SrTiO₃基底界面附近形成TiO₂终止的表面[15], [16]。使用的Al₂O₃靶材纯度为99.99%。

结果与讨论

图1(a)显示了霍尔电阻随温度的变化情况。其中，$$表示传输通道的长度（宽度）。可以看出，两个样品均表现出典型的金属特性：在高温下霍尔电阻随温度降低而减小，且在约50 K以下呈现饱和趋势。残余电阻比RRR（定义为$$）对于我们的样品来说非常大（样品#1为3733），表明晶体质量较高。残余电阻值为540 mΩ/□（1.7）。

结论

总之，我们研究了两种高电子浓度的Al₂O₃/SrTiO₃异质结构的电传输特性。在低温下，霍尔效应对磁场的非线性依赖性较弱；而在中等温度区域，这种非线性依赖性却意外地增强了。通过双带模型提取了电子浓度和迁移率参数，发现这两个参数对应于两种不同的电子传输通道：一种局限于界面附近，另一种延伸至基底内部。

创新性声明

基于对高电子浓度Al₂O₃/SrTiO₃异质结构的研究，本工作发现在中等温度范围（10–150 K）内霍尔效应的非线性增强现象，这与传统系统中随温度升高而减弱的非线性趋势相反。我们证明这种独特行为源于两种具有不同迁移率的电子传导通道，这种差异是由仅存在于界面限制的通道A中的额外横向光学声子散射所驱动的。

CRediT作者贡献声明

Kuang Hong Gao：撰写、审稿与编辑，监督工作。 Tie Lin：资金申请。 Ding Bang Zhou：数据管理。 Yang Yang：初稿撰写。 Jing Bo Yan：数据管理。

数据可用性

数据将在合理请求下提供。

数据可用性声明

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利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：61974153）和天津大学前沿基础研究计划（项目编号：2025XJ21-0005）的支持。