Modulated Two-Dimensional Charge-Carrier Density in LaTiO3–Layer-Doped LaAlO3/SrTiO3 Heterostructure

异质结 材料科学 凝聚态物理 兴奋剂 掺杂剂 原子轨道 钙钛矿(结构) 密度泛函理论 电荷密度 载流子密度 载流子 费米气体 费米能级 电子 光电子学 物理 计算化学 化学 结晶学 量子力学
作者
Safdar Nazir,C. M. Bernal-Choban,Kesong Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:7 (9): 5305-5311 被引量:28
标识
DOI:10.1021/am508662q
摘要

The highly mobile two-dimensional electron gas (2DEG) formed at the polar/nonpolar LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) heterostructure (HS) is a matter of great interest because of its potential applications in nanoscale solid-state devices. To realize practical implementation of the 2DEG in device design, desired physical properties such as tuned charge carrier density and mobility are necessary. In this regard, polar perovskite-based transition metal oxides can act as doping layers at the interface and are expected to tune the electronic properties of 2DEG of STO-based HS systems dramatically. Herein, we investigated the doping effects of LaTiO3(LTO) layers on the electronic properties of 2DEG at n-type (LaO)+1/(TiO2)0 interface in the LAO/STO HS using spin-polarized density functional theory calculations. Our results indicate an enhancement of orbital occupation near the Fermi energy, which increases with respect to the number of LTO unit cells, resulting in a higher charge carrier density of 2DEG than that of undoped system. The enhanced charge carrier density is attributed to an extra electron introduced by the Ti 3d1 orbitals from the LTO dopant unit cells. This conclusion is consistent with the recent experimental findings (Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 091601). Detailed charge density and partial density of states analysis suggests that the 2DEG in the LTO-doped HS systems primarily comes from partially occupied dyz and dxz orbitals.
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