Metal-oxide thin films and interfaces exhibit numerous fascinating electronic transport properties that are not found in conventional semiconductor materials. There has been much interest in engineering them to improve their functionalities, and an improved fundamental understanding of the phenomena that occur in oxide films and heterostructures is critical. In this review, an innovative approach to strontium titanate and zinc oxide-based heterostructures using state-of-the-art scanning tunneling microscopy and photoemission spectroscopy systems, as well as electrical measurements are presented. The results show that atomic-scale bottom-up processes with greater care provide excellent opportunities for improving material properties and classifying complicated conductivity.

1.
S. A.
Chambers
,
Adv. Mater.
22
,
219
(
2010
).
2.
S. A.
Chambers
,
Surf. Sci. Rep.
39
,
105
(
2000
).
3.
S. B. Ogale,
Thin Films and Heterostructures for Oxide Electronics
(
Springer-Verlag
,
New York
,
2005
).
4.
S. B.
Ogale
,
T. V.
Venkatesan
, and
M. G.
Blamire
,
Functional Metal Oxides
(
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
,
Weinheim
,
Germany
,
2013
).
5.
H. Y.
Hwang
,
Y.
Iwasa
,
M.
Kawasaki
,
B.
Keimer
,
N.
Nagaosa
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Mater.
11
,
103
(
2012
).
6.
M.
Coll
 et al,
Appl. Surf. Sci.
482
,
1
(
2019
).
7.
D. G.
Schlom
,
L.-Q.
Chen
,
C.-B.
Eom
,
K. M.
Rabe
,
S. K.
Streiffer
, and
J.-M.
Triscone
,
Annu. Rev. Mater. Res.
37
,
589
(
2007
).
8.
P.
Zubko
,
S.
Gariglio
,
M.
Gabay
,
P.
Ghosez
, and
J.-M.
Triscone
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
2
,
141
(
2011
).
9.
J.
Mannhart
and
D. G.
Schlom
,
Science
327
,
1607
(
2010
).
10.
K.
Iwaya
,
R.
Shimizu
,
T.
Hashizume
, and
T.
Hitosugi
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
083702
(
2011
).
11.
K.
Iwaya
,
T.
Ohsawa
,
R.
Shimizu
,
Y.
Okada
, and
T.
Hitosugi
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
19
,
282
(
2018
).
12.
J.-F.
Ge
,
Z.-L.
Liu
,
C.
Liu
,
C.-L.
Gao
,
D.
Qian
,
Q.-K.
Xue
,
Y.
Liu
, and
J.-F.
Jia
,
Nat. Mater.
14
,
285
(
2015
).
13.
A.
Ohtomo
and
H. Y.
Hwang
,
Nature
427
,
423
(
2004
).
14.
S.
Thiel
,
G.
Hammerl
,
A.
Schmhl
,
C. W.
Schneider
, and
J.
Mannhart
,
Science
313
,
1942
(
2006
).
15.
A.
Brinkman
 et al,
Nat. Mater.
6
,
493
(
2007
).
16.
N.
Reyren
 et al,
Science
317
,
1196
(
2007
).
17.
S. A.
Chambers
 et al,
Surf. Sci. Rep.
65
,
317
(
2010
).
18.
Ü
Özgür
,
Y. I.
Alivov
,
C.
Liu
,
A.
Teke
,
M. A.
Reshchikov
,
S.
Doğan
,
V.
Avrutin
,
S.-J.
Cho
, and
H.
Morkoç
,
J. Appl. Phys.
98
,
041301
(
2005
).
19.
S.
Series
,
Transparent Conductive Zinc Oxide
(
Springer
,
Berlin
,
2008
).
20.
K.
Takahashi
,
A.
Yoshikawa
, and
A.
Sandhu
,
Wide Bandgap Semiconductors
(
Springer
,
Berlin
,
2007
).
21.
T.
Minami
,
Semicond. Sci. Technol.
20
,
S35
(
2005
).
22.
K.
Ellmer
,
Nat. Photonics
6
,
809
(
2012
).
23.
A.
Janotti
and
C. G.
Van de Walle
,
Rep. Prog. Phys.
72
,
126501
(
2009
).
24.
N.
Ohashi
,
J. Ceram. Soc. Jpn.
122
,
530
(
2014
).
25.
T.
Sekiguchi
,
S.
Miyashita
,
K.
Obara
,
T.
Shishido
, and
N.
Sakagami
,
J. Cryst. Growth
214–215
,
72
(
2000
).
26.
H.
Maki
,
I.
Sakaguchi
,
N.
Ohashi
,
S.
Sekiguchi
,
H.
Haneda
,
J.
Tanaka
, and
N.
Ichinose
,
Jpn. J. Appl. Phys.
42
,
75
(
2003
).
27.
R.
Waser
and
M.
Aono
,
Nat. Mater.
6
,
833
(
2007
).
28.
R.
Waser
,
R.
Dittmann
,
G.
Staikov
, and
K.
Szot
,
Adv. Mater.
21
,
2632
(
2009
).
29.
R.
Dittmann
and
J. P.
Strachan
,
APL Mater.
7
,
110903
(
2019
).
30.
A.
Sawa
,
Mater. Today
11
,
28
(
2008
).
31.
C.
Park
,
Y.
Seo
,
J.
Jung
, and
D.-W.
Kim
,
J. Appl. Phys.
103
,
054106
(
2008
).
32.
E.
Mikheev
,
B. D.
Hoskins
,
D. B.
Strukov
, and
S.
Stemmer
,
Nat. Commun.
5
,
3990
(
2014
).
33.
C.
Baeumer
 et al,
Nanoscale
8
,
13967
(
2016
).
34.
J.
Li
,
N.
Ohashi
,
H.
Okushi
, and
H.
Haneda
,
Phys. Rev. B
83
,
125317
(
2011
).
35.
J.
Li
,
N.
Ohashi
,
H.
Okushi
,
T.
Nakagawa
,
I.
Sakaguchi
,
H.
Haneda
, and
R.
Matsuoka
,
Mater. Sci. Eng., B
173
,
216
(
2010
).
36.
N.
Ohashi
,
H.
Yoshikawa
,
Y.
Yamashita
,
S.
Ueda
,
J.
Li
,
H.
Okushi
,
K.
Kobayashi
, and
H.
Haneda
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
251911
(
2012
).
37.
S.
Hirose
,
H.
Yoshikawa
,
H.
Yanagi
,
A.
Ando
,
S.
Ueda
, and
N.
Ohashi
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
3
,
P243
(
2014
).
38.
D.
Kan
and
Y.
Shimakawa
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
142910
(
2013
).
39.
T.
Yamamoto
,
S.
Suzuki
,
K.
Kawaguchi
, and
K.
Takahashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
37
,
4737
(
1998
).
40.
K.
Kobayashi
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
601
,
32
(
2009
).
41.
S.
Ueda
,
J. Electron Spectros. Relat. Phenom.
190
,
235
(
2013
).
42.
A. X.
Gray
 et al,
Nat. Mater.
10
,
759
(
2011
).
43.
T.
Ohsawa
,
K.
Iwaya
,
R.
Shimizu
,
T.
Hashizume
, and
T.
Hitosugi
,
J. Appl. Phys.
108
,
073710
(
2010
).
44.
K.
Iwaya
,
T.
Ohsawa
,
R.
Shimizu
,
T.
Hashizume
, and
T.
Hitosugi
,
Appl. Phys. Express
3
,
075701
(
2010
).
45.
T.
Ohsawa
,
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
, and
T.
Hitosugi
,
ACS Nano
8
,
2223
(
2014
).
46.
T.
Ohsawa
,
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
,
S.
Shiraki
, and
T.
Hitosugi
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
161603
(
2016
).
47.
T.
Ohsawa
,
M.
Saito
,
I.
Hamada
,
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
,
S.
Shiraki
,
Z.
Wang
,
Y.
Ikuhara
, and
T.
Hitosugi
,
ACS Nano
9
,
8766
(
2015
).
48.
D. M.
Kienzle
,
A. E.
Becerra-Toledo
, and
L. D.
Marks
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
176102
(
2011
).
49.
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
,
T.
Ohsawa
,
S.
Shiraki
,
T.
Hasegawa
,
T.
Hashizume
, and
T.
Hitosugi
,
ACS Nano
5
,
7967
(
2011
).
50.
I.
Hamada
,
R.
Shimizu
,
T.
Ohsawa
,
K.
Iwaya
,
T.
Hashizume
,
M.
Tsukada
,
K.
Akagi
, and
T.
Hitosugi
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
17201
(
2014
).
51.
T.
Ohsawa
,
M.
Saito
,
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
,
S.
Shiraki
,
Y.
Ikuhara
, and
T.
Hitosugi
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
141602
(
2018
).
52.
T.
Ohsawa
,
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
,
S.
Shiraki
,
T.
Nojima
, and
T.
Hitosugi
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
201601
(
2019
).
53.
J. R.
Williams
,
H.
Furukawa
,
Y.
Adachi
,
S.
Grachev
,
E.
Søndergård
, and
N.
Ohashi
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
042107
(
2013
).
54.
T.
Ohsawa
,
K.
Tsunoda
,
B.
Dierre
,
C.
Zellhofer
,
S.
Grachev
,
H.
Montigaud
,
T.
Ishigaki
, and
N.
Ohashi
,
J. Cryst. Growth
463
,
38
(
2017
).
55.
T.
Ohsawa
,
K.
Tsunoda
,
B.
Dierre
,
S.
Grachev
,
H.
Montigaud
,
T.
Ishigaki
, and
N.
Ohashi
,
Phys. Status Solidi A
215
,
1700838
(
2018
).
56.
N.
Ohashi
,
Y.
Adachi
,
T.
Ohsawa
,
K.
Matsumoto
,
I.
Sakaguchi
,
H.
Haneda
,
S.
Ueda
,
H.
Yoshikawa
, and
K.
Kobayashi
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
122102
(
2009
).
57.
T.
Ogino
,
J. R.
Williams
,
K.
Watanabe
,
I.
Sakaguchi
,
S.
Hishita
,
H.
Haneda
,
Y.
Adachi
,
T.
Ohgaki
, and
N.
Ohashi
,
Thin Solid Films
552
,
56
(
2014
).
58.
M. W.
Allen
,
D. Y.
Zemlyanov
,
G. I. N.
Waterhouse
,
J. B.
Metson
,
T. D.
Veal
,
C. F.
McConville
, and
S. M.
Durbin
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
101906
(
2011
).
59.
T.
Ohsawa
,
K.
Tsunoda
,
Y.
Yamagata
,
B.
Dierre
,
S.
Grachev
,
H.
Montigaud
,
T.
Ishigaki
, and
N.
Ohashi
,
Cryst. Growth Des.
18
,
5824
(
2018
).
60.
T.
Ohsawa
,
T.
Murakami
,
T.
Hosaka
,
S.
Ueda
,
T.
Ishigaki
, and
N.
Ohashi
,
J. Phys. Chem. C
125
,
14836
(
2021
).
61.
M.
Kawasaki
,
K.
Takahashi
,
T.
Maeda
,
R.
Tsuchiya
,
M.
Shinohara
,
O.
Ishiyama
,
T.
Yonezawa
,
M.
Yoshimoto
, and
H.
Koinuma
,
Science
266
,
1540
(
1994
).
62.
M.
Haruta
,
S.
Shiraki
,
T.
Ohsawa
,
T.
Suzuki
,
A.
Kumatani
,
Y.
Takagi
,
R.
Shimizu
, and
T.
Hitosugi
,
Solid State Ionics
285
,
118
(
2016
).
63.
T.
Ohsawa
,
S.
Ueda
,
M.
Suzuki
,
Y.
Tateyama
,
J. R.
Williams
, and
N.
Ohashi
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
171604
(
2015
).
64.
D. A.
Stocker
,
E. F.
Schubert
, and
J. M.
Redwing
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2654
(
1998
).
65.
S.-K.
Hong
 et al,
Phys. Rev. B
65
,
115331
(
2002
).
66.
T.
Mitate
,
S.
Mizuno
,
H.
Takahata
,
R.
Kakegawa
,
T.
Matsuoka
, and
N.
Kuwano
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
134103
(
2005
).
67.
T.
Ohsawa
,
R.
Shimizu
,
K.
Iwaya
,
S.
Shiraki
, and
T.
HIitosugi
,
J. Ceram. Soc. Jpn.
122
,
456
(
2014
).
68.
C.
Bell
,
S.
Harashima
,
Y.
Hikita
, and
H. Y.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
222111
(
2009
).
69.
A.
Janotti
,
L.
Bjaalie
,
L.
Gordon
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
86
,
241108
(
2012
).
70.
M.
Ben Shalom
,
C. W.
Tai
,
Y.
Lereah
,
M.
Sachs
,
E.
Levy
,
D.
Rakhmilevitch
,
A.
Palevski
, and
Y.
Dagan
,
Phys. Rev. B
80
,
140403
(
2009
).
71.
X.
Wang
,
W. M.
,
A.
Annadi
,
Z. Q.
Liu
,
K.
Gopinadhan
,
S.
Dhar
,
T.
Venkatesan
, and
Ariando
,
Phys. Rev. B
84
,
075312
(
2011
).
72.
H.
Matsui
,
H.
Saeki
,
T.
Kawai
,
A.
Sasaki
,
M.
Yoshimoto
,
M.
Tsubaki
, and
H.
Tabata
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
2454
(
2004
).
73.
M. R.
Wagner
,
T. P.
Bartel
,
R.
Kirste
,
A.
Hoffmann
,
J.
Sann
,
S.
Lautenschläger
,
B. K.
Meyer
, and
C.
Kisielowski
,
Phys. Rev. B
79
,
035307
(
2009
).
74.
Y.
Adachi
,
N.
Ohashi
,
T.
Ohnishi
,
T.
Ohgaki
,
I.
Sakaguchi
,
H.
Haneda
, and
M.
Lippmaa
,
J. Mater. Res.
23
,
3269
(
2008
).
75.
Y.
Adachi
 et al,
Thin Solid Films
519
,
5875
(
2011
).
76.
B.
Li
 et al,
Appl. Phys. Lett.
98
,
082101
(
2011
).
77.
Y.
Kozuka
,
A.
Tsukazaki
, and
M.
Kawasaki
,
Appl. Phys. Rev.
1
,
011303
(
2014
).
78.
J.
Williams
 et al,
Appl. Phys. Lett.
100
,
051902
(
2012
).
79.
Y.
Takata
 et al,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4310
(
2004
).
80.
S.
Hirose
,
H.
Okushi
,
S.
Ueda
,
H.
Yoshikawa
,
Y.
Adachi
,
A.
Ando
,
T.
Ohsawa
,
H.
Haneda
, and
N.
Ohashi
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
191602
(
2015
).
You do not currently have access to this content.