All in-situ ultra-high vacuum ionic liquid gating study on oxide thin films

The study of how the properties of materials can be influenced, be they electronic, magnetic or even structural, is of enormous interest for both fundamental science and technological applications. An example is the use of electric fields to control the transport properties in semiconductors, where charge carrier accumulation is electro- statically induced. This mechanism is known as ’field effect’ and is the foundation of much of modern day electronics, being exploited in metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFET). The field effect has been proven to be very effective for the gate control of conventional semiconductors, but it is less effective when it comes to other materials. Materials such as transition-metal oxides, exhibit for example chemical diversity, superconductivity, ferroelectricity, magnetism, and are thus of contemporary interest. The electric field strength required to induce, for instance, a phase transition in these materials, can exceed by far the breakdown limit of a standard SiO2 dielectric gate. In this context, ionic liquid gating has been proven to be an alternative and broadly applicable approach, capable to induce higher electric fields and thus to drive sufficient carrier densities. In this approach the solid state gate dielectric is replaced with an ionic liquid. When a potential is applied to the gate electrode, a rearrangement of the ions leads to the formation of an electrical double layer at the interface with the material, which creates the electric field. In the last decade many experiments based on this approach have been conducted, allowing to study and manipulate the properties of various materials. Nonetheless, the mechanisms behind this process have not yet been fully understood, and contradictory results have been published. So far, in this type of experiments it is common that after its fabrication, the device is exposed to ambient conditions, in order to apply the ionic liquid. In this stage, for example, water can come in contact with the device, affecting the outcome of the measurements. In this thesis project, a new experimental setup that allows to apply the ionic liquid in-situ has been developed. This opens the possibility to conduct original studies under unique experimental conditions, potentially bringing new insights in this research area.

Lo studio di come le proprietà dei materiali possono essere influenzate, siano esse elettroniche, magnetiche o persino strutturali, è di grande interesse sia per la scienza fondamentale che per le applicazioni tecnologiche. Un esempio è l’utilizzo di campi elettrici per controllare le proprietà di trasporto nei semiconduttori, dove l’accumulo di portatori di carica è indotto elettrostaticamente. Questo meccanismo è conosciuto come ”effetto di campo” ed è alla base di gran parte dell’elettronica odierna, essendo sfruttato nei transistori (MOSFET). L’effetto di campo si è dimostrato molto efficace per il controllo del gate nel caso dei semiconduttori convenzionali, ma è meno efficace nel caso di altri materiali. Materiali come gli ossidi dei metalli di transizione, che esibiscono ad esempio diversità chimica, superconduttività, ferroelettricità, magnetismo, e sono per questo di interesse contemporaneo. L’intensità del campo elettrico necessaria per indurre, ad esempio, una transizione di fase in questi materiali, può eccedere di molto il limite di rottura (breakdown) di un tipico dielettrico di gate come il SiO2. In questo contesto, il gating con liquidi ionici si è dimostrato essere un approccio alternativo e largamente applicabile, capace di indurre campi elettrici maggiori e quindi di mobilitare sufficienti densità di carica. Questo approccio consiste nel sostituire il dielettrico allo stato solido con un liquido ionico. Quando un potenziale è applicato all’elettrodo di gate, una ridisposizione degli ioni porta alla formazione di un doppio strato elettrico (electrical double layer) all’interfaccia con il materiale, dando origine al campo elettrico. Nell’ultima decade molti esperimenti basati su questo approccio sono stati condotti, permettendo di studiare e manipolare le proprietà di vari materiali. Ciononostante, il meccanismo che sta dietro a questo processo non è stato ancora pienamente compreso, e risultati contraddittori sono stati pubblicati. Finora, in questo tipo di esperimenti, una volta fabbricato il dispositivo, esso è esposto alle condizioni ambiente per l’applicazione del liquido ionico. In questa fase, ad esempio, tracce di acqua potrebbero entrare in contatto con il dispositivo, influenzando gli esiti delle misure. In questo progetto di tesi, è stato sviluppato un nuovo setup sperimentale che permette di applicare il liquido ionico in-situ. Questo apre la possibilità di condurre studi originali in condizioni sperimentali uniche, con la potenzialità di contribuire a questa area di ricerca con nuovi risultati.