We present electrical and structural characterization of epitaxial LaTiO3/SrTiO3 heterostructures integrated directly on Si(100). By reducing the thicknesses of the heterostructures, an enhancement in carrier-carrier scattering is observed in the Fermi liquid behavior, followed by a metal to insulator transition in the electrical transport. The insulating behavior is described by activated transport, and its onset occurs near an occupation of 1 electron per Ti site within the SrTiO3, providing evidence for a Mott driven transition. We also discuss the role that structure and gradients in strain could play in enhancing the carrier density. The manipulation of Mott metal-insulator behavior in oxides grown directly on Si opens the pathway to harnessing strongly correlated phenomena in device technologies.
References
1.
M.
Imada
, A.
Fujimori
, and Y.
Tokura
, Rev. Mod. Phys.
70
, 1039
(1998
).2.
D. P.
Kumah
, A. S.
Disa
, J. H.
Ngai
, H.-H.
Chen
, A.
Malashevich
, J. W.
Reiner
, S.
Ismail-Beigi
, F. J.
Walker
, and C. H.
Ahn
, Adv. Mater.
26
, 1935
(2014
).3.
P. D. C.
King
, H. I.
Wei
, Y. F.
Nie
, M.
Uchida
, C.
Adamo
, S.
Zhu
, X.
He
, I.
Bozovic
, D. G.
Schlom
, and K. M.
Shen
, Nat. Nanotechnol.
9
, 443
(2014
).4.
A.
Ohtomo
and H. Y.
Hwang
, Nature
427
, 423
(2004
).5.
J.
Mannhart
and D. G.
Schlom
, Science
327
, 1607
(2010
).6.
P.
Moetakef
, C. A.
Jackson
, J.
Hwang
, L.
Balents
, S. J.
Allen
, and S.
Stemmer
, Phys. Rev. B
86
, 201102(R)
(2012
).7.
P.
Xu
, Y.
Ayino
, C.
Cheng
, V. S.
Pribiag
, R. P.
Comes
, P. V.
Sushko
, S. A.
Chambers
, and B.
Jalan
, Phys. Rev. Lett.
117
, 106803
(2016
).8.
A. D.
Caviglia
, S.
Gariglio
, N.
Reyren
, D.
Jaccard
, T.
Schneider
, M.
Gabay
, S.
Thiel
, G.
Hammerl
, J.
Mannhart
, and J. M.
Triscone
, Nature
456
, 624
(2008
).9.
J.
Biscaras
, N.
Bergeal
, A.
Kushwaha
, T.
Wolf
, A.
Rastogi
, R. C.
Budhani
, and J.
Lesueur
, Nat. Commun.
1
, 89
(2010
).10.
L.
Li
, C.
Richter
, J.
Mannhart
, and R. C.
Ashoori
, Nat. Phys.
7
, 762
(2011
).11.
J. H.
Ngai
, F. J.
Walker
, and C. H.
Ahn
, Annu. Rev. Mater. Res.
44
, 1
(2014
).12.
C. C.
Hays
, J.-S.
Zhou
, J. T.
Markert
, and J. B.
Goodenough
, Phys. Rev. B
60
, 10367
(1999
).13.
Y.
Tokura
, Y.
Taguchi
, Y.
Okada
, Y.
Fujishima
, T.
Arima
, K.
Kumagai
, and Y.
Iye
, Phys. Rev. Lett.
70
, 2126
(1993
).14.
P.
Moetakef
, T. A.
Cain
, D. G.
Ouellette
, J. Y.
Zhang
, D. O.
Klenov
, A.
Janotti
, C. G.
Van de Walle
, S.
Rajan
, S. J.
Allen
, and S.
Stemmer
, Appl. Phys. Lett.
99
, 232116
(2011
).15.
E. N.
Jin
, L.
Kornblum
, D. P.
Kumah
, K.
Zou
, C. C.
Broadbridge
, J. H.
Ngai
, C. H.
Ahn
, and F. J.
Walker
, APL Mater.
2
, 116109
(2014
).16.
L.
Kornblum
, E. N.
Jin
, D. P.
Kumah
, A. T.
Ernst
, C. C.
Broadbridge
, C. H.
Ahn
, and F. J.
Walker
, Appl. Phys. Lett.
106
, 201602
(2015
).17.
A.
Ohtomo
, D. A.
Muller
, J. L.
Grazul
, and H. Y.
Hwang
, Nature
419
, 378
(2002
).18.
S.
Okamoto
and A. J.
Millis
, Nature
428
, 630
(2004
).19.
J. S.
Kim
, S. S. A.
Seo
, M. F.
Chisholm
, R. K.
Kremer
, H.-U.
Habermeier
, B.
Keimer
, and H. N.
Lee
, Phys. Rev. B
82
, 201407(R)
(2010
).20.
M.
Takizawa
, H.
Wadati
, K.
Tanaka
, M.
Hashimoto
, T.
Yoshida
, A.
Fujimori
, A.
Chikamatsu
, H.
Kumigashira
, M.
Oshima
, K.
Shibuya
, T.
Mihara
, T.
Ohnishi
, M.
Lippmaa
, M.
Kawasaki
, H.
Koinuma
, S.
Okamoto
, and A. J.
Millis
, Phys. Rev. Lett.
97
, 057601
(2006
).21.
S. S. A.
Seo
, W. S.
Choi
, H. N.
Lee
, L.
Yu
, K. W.
Kim
, C.
Bernhard
, and T. W.
Noh
, Phys. Rev. Lett.
99
, 266801
(2007
).22.
A.
Ohtomo
and H. Y.
Hwang
, Appl. Phys. Lett.
84
, 1716
(2004
).23.
P.
Nozieres
and D.
Pines
, The Theory of Quantum Liquids
(Westview Press
, Boulder
, 1999
).24.
L.
Bjaalie
, A.
Janotti
, B.
Himmetoglu
, and C. G.
Van de Walle
, Phys. Rev. B
90
, 195117
(2014
).25.
J. H.
Ngai
, Y.
Segal
, D.
Su
, F. J.
Walker
, S.
Ismail-Beigi
, K.
Le Hur
, and C. H.
Ahn
, Phys. Rev. B
81
, 241307(R)
(2010
).26.
O.
Copie
, V.
Garcia
, C.
Bodefeld
, C.
Carretero
, M.
Bibes
, G.
Herranz
, E.
Jacquet
, J.-L.
Maurice
, B.
Vinter
, S.
Fusil
, K.
Bouzehouane
, H.
Jaffres
, and A.
Barthelemy
, Phys. Rev. Lett.
102
, 216804
(2009
).27.
L. F.
Mattheiss
, Phys. Rev. B
6
, 4718
(1972
).28.
F.
Amy
, A.
Wan
, A.
Kahn
, F. J.
Walker
, and R. A.
McKee
, J. Appl. Phys.
96
, 1601
(2004
).29.
W.-N.
Lin
, J.-F.
Ding
, S.-X.
Wu
, Y.-F.
Li
, J.
Lourembam
, S.
Shannigrahi
, S.-J.
Wang
, and T.
Wu
, Adv. Mater. Interfaces
1
, 1300001
(2014
).30.
D. P.
Kumah
, J. W.
Reiner
, Y.
Segal
, A. M.
Kolpak
, Z.
Zhang
, D.
Su
, Y.
Zhu
, M. S.
Sawicki
, C. C.
Broadbridge
, C. H.
Ahn
, and F. J.
Walker
, Appl. Phys. Lett.
97
, 251902
(2010
).31.
J. C.
Woicik
, H.
Li
, P.
Zschack
, E.
Karapetrova
, P.
Ryan
, C. R.
Ashman
, and C. S.
Hellberg
, Phys. Rev. B
73
, 024112
(2006
).32.
A. M.
Kolpak
, F. J.
Walker
, J. W.
Reiner
, Y.
Segal
, D.
Su
, M. S.
Sawicki
, C. C.
Broadbridge
, Z.
Zhang
, Y.
Zhu
, C. H.
Ahn
, and S.
Ismail-Beigi
, Phys. Rev. Lett.
105
, 217601
(2010
).33.
P.
Zubko
, G.
Catalan
, and A. K.
Tagantsev
, Annu. Rev. Mater. Res.
43
, 387
(2013
).34.
D.
Lee
, A.
Yoon
, S. Y.
Jang
, J.-G.
Yoon
, J.-S.
Chung
, M.
Kim
, J. F.
Scott
, and T. W.
Noh
, Phys. Rev. Lett.
107
, 057602
(2011
).35.
X.
Hong
, J. Phys.: Condens. Matter
28
, 103003
(2016
).36.
M.
Eckstein
and P.
Werner
, Phys. Rev. Lett.
113
, 076405
(2014
).37.
E.
Manousakis
, Phys. Rev. B
82
, 125109
(2010
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
