Project

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Momentum- and Spin-Resolved Electronic Structure of Buried Oxide Interfaces (ctd.)

Applicant Strokov Vladimir
Number 188709
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut Swiss Light Source
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.11.2019 - 31.10.2022
Approved amount 336'240.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (8)

soft-X-ray ARPES; spin-resolved ARPES; buried interfaces; interface magnetism; electronics and spintronics; transition-metal oxides; electronic structure; electron-phonon interaction

Lay Summary (French)

Lead
Aujourd'hui, l'électronique traditionnelle basée sur les semi-conducteurs comme le silicium ou l'arséniure de gallium est en train d'approcher leurs limites concernant la consommation d’énergie ainsi que la miniaturisation et l'opération à haute vitesse. Ce fait nécessite de remplacer les semi-conducteurs par des matériaux innovants, dont les heterostructures des oxydes complexes de métaux de transition comme le cuivre, le manganèse, le titan, etc. sont des candidats particulièrement prometteurs. Ces matériaux constituent une base pour la synthèse des dispositifs électroniques qui combinent des propriétés très variés s'étendant de la supraconductivité au ferromagnétisme et la magnétorésistance colossale. Par exemple, les jonctions Josephson magnétique où deux supraconducteurs sont séparées par une couche ferromagnétique pourraient réaliser un transistor qui diminue la consommation d’énergie environ 5 ordres de grandeur en comparaison de ceux-là d'aujourd'hui.
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherche

Ce projet utilisera la spectroscopie de photoémission résolue en angle et spin qui peut être vue comme un microscope pour imager les électrons dans l'échantillon en fonction de leur vitesse et direction magnétique. Les expériences utilisant des énergies de rayons X mous d´environ 1 keV peuvent sonder les échantillons plus profondément vers les interfaces entre deux oxydes qui généralement peuvent présenter des propriétés novatrices pour des dispositifs électroniques. Par exemple, deux oxydes LaAlO3 et SrTiO3 sont isolateurs, mais leur interface devient spontanément un conducteur. Les expériences de photoémission utilisant des rayons X mous exigent l'instrumentation de rayonnement synchrotronique la plus avancée qui est disponible à la ligne de lumière la plus brillante du monde, ADRESS, à la Source de Lumière Suisse. Nous y explorerons la structure électronique et magnétique des quelques heterostructures d'oxyde paradigmatiques: (1) La couplage entre les électrons et le réseau ionique aux interfaces LaAlO3/SrTiO3 que affecte radicalement toutes les propriétés de leur conductivité électrique; (2) Séparation magnétique entre les bands électroniques aux interfaces LaAlO3/SrTiO3 déficientes de l'oxygène qui joue une rôle central dans leur magnétisme; (3) Couplage entre la ferroélectricité et le ferromagnétisme a l'interface de la multiferroicité BaTiO3/LaSrMnO3.

Contexte scientifique et social du projet de recherche

Notre recherche contribuera la connaissance fondamentale de la structure électronique et magnétique des heterostructures basées sur des oxydes complexes de métaux de transition. En perspective, les résultats de ce projet aideront le développement de la technologie pour créer de nouvelles générations de matériaux fonctionnels d’être utilisé dans les puces électronique de demain qu'améliorera radicalement leur consommation d’énergie ainsi q'aidera leur miniaturisation et opération à haute vitesse.

Direct link to Lay Summary Last update: 01.10.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
183300 High-resolution soft-X-ray ARPES facility at Swiss Light Source 01.03.2019 R'EQUIP
165529 Momentum- and Spin-Resolved Electronic Structure of Buried Oxide Interfaces 01.11.2016 Project funding (Div. I-III)
165910 Doping effects in Dirac materials and their interfaces: A route to spintronic applications 01.06.2016 Project funding (Div. I-III)
165529 Momentum- and Spin-Resolved Electronic Structure of Buried Oxide Interfaces 01.11.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Heterostructures of various transition-metal oxides add another dimension to the fascinating properties of these strongly correlated materials. We are using soft-X-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) is the unique experimental tool to access their funadamental electronic structure characteristics - band structure, Fermi surface, electron-boson coupling. The important scientific results obtained during the ongoing project include orbital ordering of the mobile and localized electrons at the LaAlO3/SrTiO3 interface, electronic phase separation, quantum-well states in SrTiO3 layers embedded in LAO, X-ray stimulated formation of 2D mobile electron system at the Si/ SrTiO3 interface, band-ordering origins of high electron mobility at the ?-Al2O3/ SrTiO3 interface, electronic structure of the HfO2/Si interfaces, etc. We propose to follow up this project with three scientific cases having a fundamental importance for the oxide interfaces: (1) Field-effect manipulation of the electronic structure; (2) Tunable polaronic coupling; (3) Spin texture and ferromagnetism. The results achieved in this project will form a valuble contribution to the Swiss competence in the hot and techologically important field of oxide electronics and spintronics.
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