Wachstum und elektrostatischen/chemischen Eigenschaften von Metall/LaAlO3/SrTiO3 Heterostrukturen
Summary
Wir fertigen Metall/LaAlO3/SrTiO3 Heterostrukturen mit einer Kombination aus pulsed Laser Deposition und in Situ Magnetron-Sputtern. Durch Magnetotransport und in Situ Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie-Experimenten untersuchen wir das Zusammenspiel von elektrostatischen und chemische Phänomene des quasi zweidimensionale Elektron Gases in diesem System gebildet.
Abstract
Die quasi-2D-Elektron-System (q2DES), das an der Schnittstelle zwischen LaAlO3 (LAO) und SrTiO3 (STO) bildet hat viel Aufmerksamkeit von der Oxid-Elektronik-Gemeinschaft angezogen. Eines seiner Markenzeichen-Features ist die Existenz einer kritischen LAO-Dicke von 4 Einheit-Zellen (Uc) für Grenzflächen Leitfähigkeit entstehen. Obwohl in der Vergangenheit zu beschreiben, die Existenz dieser kritischen Dicke elektrostatische Mechanismen vorgeschlagen wurden, hat die Bedeutung der chemischen Mängel vor kurzem akzentuiert worden. Hier beschreiben wir das Wachstum der Metall/LAO/STO Heterostrukturen in eine ultrahohe Vakuum (UHV) Cluster-System kombiniert gepulste Laser Deposition (zu den LAO wachsen), das Magnetron-Sputtern (um das Metall zu wachsen) und Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS). Wir lernen Schritt für Schritt die Entstehung und Entwicklung der q2DES und der chemischen Wechselwirkungen zwischen Metall und der LAO/STO, die auftreten. Darüber hinaus erläutern Magnetotransport Experimente auf den Transport und die elektronischen Eigenschaften der q2DES. Diese systematische Arbeit nicht nur zeigt einen Weg, um die elektrostatische und chemischen Zusammenspiel zwischen der q2DES und seiner Umgebung zu studieren, sondern auch entsperrt die Möglichkeit paar multifunktionale Capper Schichten mit der reichen Physik in zweidimensionalen beobachtet Elektronen-Systemen, ermöglicht die Herstellung neuer Arten von Geräten.
Introduction
Quasi-2D-Elektronen-Systemen (q2DES) ausgiebig als gedient haben einen Spielplatz, um eine Vielzahl von niedrigdimensionalen zu studieren und Quantenphänomene. Ausgehend von der Samen-Papier auf dem LaAlO3/SrTiO3 System (LAO/STO)1, ein Platzen der verschiedenen Systeme, die neue Grenzflächen elektronische Phasen hosten erstellt worden sein. Kombination verschiedener Materialien führte zu die Entdeckung des q2DESs mit zusätzlichen Eigenschaften wie elektrische Feld abstimmbaren Spin Polarisation2, extrem hohe Elektron Mobilitäten3 oder Ferroelectricity-gekoppelte Phänomene4. Obwohl eine riesige Körper der Arbeit gewidmet worden, um die Erstellung und Bearbeitung dieser Systeme zu entwirren, haben einige Experimente und Techniken widersprüchliche Ergebnisse, auch in eher ähnliche Bedingungen gezeigt. Darüber hinaus fand die Balance zwischen elektrostatischen und chemische Wechselwirkungen unbedingt richtig zu verstehen, dass die Physik an5,6,7spielen.
In diesem Artikel beschreiben wir gründlich das Wachstum der verschiedenen Metall/LAO/STO Heterostrukturen mit einer Kombination aus pulsed Laser Deposition (PLD) und in Situ Magnetron-Sputtern. Dann, um die Wirkung der verschiedenen Oberflächenbeschaffenheiten in vergrabenen q2DES an der LAO/STO-Schnittstelle zu verstehen, eine elektronische und chemische Untersuchung erfolgt über Transport und Elektron-Spektroskopie-Experimenten.
Da bereits mehrere Methoden verwendet wurden, um kristalline LAO auf STO wachsen, die Wahl der geeigneten Ablagerung Techniken ist ein entscheidender Schritt für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Oxid Heterostrukturen (neben Kosten und Zeit beschränkt). Im PLD trifft einen intensiven und kurzen Laserpuls das Ziel, das gewünschte Material, die dann abgetragen und auf dem Substrat als dünner Film hinterlegt wird. Eines der großen Vorteile dieser Technik ist die Fähigkeit, zuverlässig die Stöchiometrie des Ziels auf den Film, ein wesentliches Element zur Erreichung die gewünschten Phase Bildung übertragen. Darüber hinaus die Fähigkeit der Schicht für Schicht Wachstum (überwacht in Echtzeit mittels Reflexion hochenergetische Elektronenbeugung – RHEED) eine Vielzahl von komplexen Oxide, die Möglichkeit, mehrere Ziele innerhalb der Kammer auf die gleiche Zeit (Ausführung so dass das Wachstum der verschiedenen Materialien ohne Vakuum) und die Einfachheit des Aufbaus machen diese Technik eine der effektivsten und vielseitig.
Doch erlauben andere Techniken wie Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) das Wachstum von noch höherer Qualität epitaktische Wachstum. Anstatt ein Ziel eines bestimmten Materials in MBE ist jedes spezifische Element gegenüber dem Substrat sublimiert wo sie gut definierte Atomlagen bilden miteinander reagieren. Darüber hinaus ermöglicht das Fehlen von hochenergetischen Arten und mehr gleichmäßige Energieverteilung die Herstellung von extrem scharfen Schnittstellen8. Diese Technik ist jedoch sehr viel komplexer als PLD, wenn es darum geht, das Wachstum von Oxiden, da es in extrem hohe ausgeführt werden muss Vakuum Bedingungen (so dass die lange meine freie Weglänge nicht zerstört) und erfordert im Allgemeinen eine größere Investition, Kosten – und zeitlich. Obwohl das Wachstum in den ersten LAO/STO-Publikationen verwendet PLD war, haben Proben mit ähnlichen Merkmalen von MBE9angebaut. Es ist auch erwähnenswert, dass LAO/STO Heterostrukturen mit Sputter10angebaut wurden. Obwohl atomar scharfe Schnittstellen bei hohen Temperaturen (920 ° C) und hohe Sauerstoff-Druck (0,8 Mbar) erreicht wurden, wurde Grenzflächen Leitfähigkeit nicht erreicht.
Für das Wachstum der metallischen Schichten Deckelung verwenden wir Magnetron Sputtern, da sie eine gute Balance zwischen Qualität und Flexibilität bietet. Ndere chemical Vapor Deposition basiert jedoch sein verwendet, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Zu guter Letzt ist ein Beispiel für die Kombination aus Transport- und Spektroskopie Techniken zeigte in diesem Artikel systematisch sondieren elektronische und chemische Wechselwirkungen, betonend, wie wichtig es ist, sprechen unterschiedliche Ansätze zu verstehen die vielen Funktionen dieser Arten von Systemen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Während Substrat Kündigung sollte man sehr vorsichtig sein mit die abtauchende Zeit in HF-Lösung. Wir beobachten unter und over – etched Oberflächen durch unterschiedliche nur 5 s in Bezug auf das original-Rezept. Darüber hinaus beobachten wir eine Abhängigkeit zwischen Substrat Schrittgröße und Zeit eintauchen. Für kleinere Schrittweiten (weniger als 100 nm) Untertauchen 30 s führen zu übermäßigen Radierung, obwohl danach das Glühen Verfahren möglicherweise ausreichend, um die Oberfläche richtig zu rekon…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit erhielt Unterstützung von ERC Consolidator Grant #615759 “MINT”, der Region Île-de-France DIM “Oxymore” (Projekt “NEIMO”) und die ANR-Projekt “NOMILOPS”. N. wurde teilweise durch die EPSRC-JSPS Core, Core, JSPS Beihilfe für wissenschaftliche Forschung (B) (#15 H 03548) unterstützt. A.S. wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1; postdoctoral Fellowship, A.S.) unterstützt. D.C.V. Dank dem französischen Ministerium für Hochschulbildung und Forschung und CNRS zur Finanzierung seiner Doktorarbeit. J.s. Dank der Universität Paris-Saclay (D’Alembert Programm) und CNRS zur Finanzierung seines Aufenthalts am CNRS/Thales.
Materials
| Pulsed Laser Deposition | SURFACE | PLD Workstation + UHV Cluster System | |
| KrF Excimer Laser | Coherent | Compex Pro 201F | |
| Reflection High-Energy Electron Diffraction (electron gun) | R-Dec Co., Ltd. | RDA-003G | Distributed in Europe by SURFACE. |
| Reflection High-Energy Electron Diffraction (CCD camera) | k-Space Associates, Inc. | kSA 400 | |
| Variable Laser Beam Attenuator | Metrolux | ML 2100 | |
| Excimer Laser Sensor | Coherent | J-50MUV-248 | |
| LaAlO3 target | CrysTec | Single-crystal target | |
| SrTiO3 subtrates | CrysTec | Several different sizes. Possibility to order TiO2 terminated. | |
| Buffered HF Acid | Technic | BOE 7:1 | buffered hydrofluoric acid = BOE 7:1 (HF : NH4F = 12.5 : 87.5%) in VLSI-quality. |
| Silver Paste | DuPont | 4929N | Conductive Silver Composite. |
| Ultrasonic Cleaner | Bransonic | 12 | Ultrasonic Cleaning Bath |
| Tube Furnace | AET Technologies | Heat Treatment Furnace | |
| Borosilicate Glass Beaker | VWR | 213-1128 | Iow form |
| PTFE Beaker | Dynalon | PTFE Beaker | |
| Substrate holder "dipper" | Eberlé | Custom made dipper | |
| Magnetron Sputtering | PLASSYS | Sputtering system | 5 chambers for targets. |
| Metal targets | Neyco S.A. | Purity > 99.9% | |
| X-Ray Photoelectron Spectroscopy System | Omicron | Custom XPS System | |
| X-Ray Source | Omicron | DAR 400 | Twin Anode X-Ray Source. |
| Energy Analyser | Omicron | EA 125 | |
| Atomic Force Microscopy | Bruker | Innova AFM | |
| Atomic Force Microscopy Probes | Olympus | OMCL-AC160TS-R3 | Micro Cantilevers |
| Wire bonding | Kulicke & Soffa | 4523AD | |
| PPMS | Quantum Design | PPMS Dynacool | 9T magnet. |
Referenzen
- Ohtomo, A., Hwang, H. Y. A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Nature. 427, 423-426 (2004).
- Stornaiuolo, D., et al. Tunable spin polarization and superconductivity in engineered oxide interfaces. Nat. Mater. 15 (3), 278-283 (2015).
- Chen, Y. Z., et al. Extreme mobility enhancement of two-dimensional electron gases at oxide interfaces by charge-transfer-induced modulation doping. Nat. Mater. 14 (8), 801-806 (2015).
- Rödel, T. C., et al. Universal Fabrication of 2D Electron Systems in Functional Oxides. Adv. Mater. 28 (10), 1976-1980 (2016).
- Xie, Y., Hikita, Y., Bell, C., Hwang, H. Y. Control of electronic conduction at an oxide heterointerface using surface polar adsorbates. Nat. Commun. 2, 494 (2011).
- Scheiderer, P., Pfaff, F., Gabel, J., Kamp, M., Sing, M., Claessen, R. Surface-interface coupling in an oxide heterostructure: Impact of adsorbates on LaAlO3/SrTiO3. Phys. Rev. B. 92 (19), (2015).
- Vaz, D. C., et al. Tuning Up or Down the Critical Thickness in LaAlO3/SrTiO3 through In Situ Deposition of Metal Overlayers. Adv. Mater. 29 (28), 1700486 (2017).
- Schlom, D. G. Perspective: Oxide molecular-beam epitaxy rocks. APL Mater. 3 (6), 1-6 (2015).
- Segal, Y., Ngai, J. H., Reiner, J. W., Walker, F. J., Ahn, C. H. X-ray photoemission studies of the metal-insulator transition in LaAlO3/SrTiO3 structures grown by molecular beam epitaxy. Phys. Rev. B. 80 (24), 241107 (2009).
- Dildar, I. M., et al. Growing LaAlO3/SrTiO3 interfaces by sputter deposition. AIP Adv. 5 (6), 67156 (2015).
- Kawasaki, M., et al. Atomic control of the SrTiO3 crystal surface. Science (80-). 266, 1540 (1994).
- Zhang, J., et al. Depth-resolved subsurface defects in chemically etched SrTiO3. Appl. Phys. Lett. 94 (9), 1-4 (2009).
- Connell, J. G., Isaac, B. J., Ekanayake, G. B., Strachan, D. R., Seo, S. S. A. Preparation of atomically flat SrTiO3 surfaces using a deionized-water leaching and thermal annealing procedure. Appl. Phys. Lett. 101 (25), 98-101 (2012).
- van der Heide, P. . X-ray Photoelectron Spectroscopy: An introduction to Principles and Practices. 2011, (2011).
- Wagner, C. D., Riggs, W. M., Davis, L. E., Moulder, J. F. . Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. , (1979).
- van der Pauw, L. J. A method of measuring the resistivity and Hall coefficient on lamellae of arbitrary shape. Philips Tech. Rev. 20, 220-224 (1958).
- Brinks, P., Siemons, W., Kleibeuker, J. E., Koster, G., Rijnders, G., Huijben, M. Anisotropic electrical transport properties of a two-dimensional electron gas at SrTiO3-LaAlO3 interfaces. Appl. Phys. Lett. 98 (24), 242904 (2011).
- Lesne, E. . Non-Equilibrium Spin Accumulation Phenomenon at the LaAlO3/SrTiO3(001) Quasi-Two-Dimensional Electron System. , (2015).
- Sato, H. K., Bell, C., Hikita, Y., Hwang, H. Y. Stoichiometry control of the electronic properties of the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Appl. Phys. Lett. 102 (25), 251602 (2013).
- Warusawithana, M. P., et al. LaAlO3 stoichiometry is key to electron liquid formation at LaAlO3/SrTiO3 interfaces. Nat. Commun. 4, (2013).
- Arras, R., Ruiz, V. G., Pickett, W. E., Pentcheva, R. Tuning the two-dimensional electron gas at the LaAlO3/SrTiO3(001) interface by metallic contacts. Phys. Rev. B. 85 (12), (2012).
- Fu, Q., Wagner, T. Interaction of nanostructured metal overlayers with oxide surfaces. Surf. Sci. Rep. 62 (11), 431-498 (2007).
- Chen, Y., et al. Metallic and Insulating Interfaces of Amorphous SrTiO3-based Oxide Heterostructures. Nano Lett. 11 (9), 3774-3778 (2011).
- Posadas, A. B., et al. Scavenging of oxygen from SrTiO3 during oxide thin film deposition and the formation of interfacial 2DEGs. J. Appl. Phys. 121 (10), (2017).
- Sing, M., et al. Profiling the interface electron gas of LaAlO3/SrTiO3 heterostructures with hard x-ray photoelectron spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 102 (17), (2009).
- Hasegawa, S. Reflection High-Energy Electron. Charact. Mater. , 1925-1938 (2012).
- Wrobel, F., et al. Comparative study of LaNiO3/LaAlO3 heterostructures grown by pulsed laser deposition and oxide molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 110 (4), 0 (2017).
- Blank, D. H. A., Dekkers, M., Rijnders, G. Pulsed laser deposition in Twente: from research tool towards industrial deposition. J. Phys. D. Appl. Phys. 47 (3), 34006 (2014).
- Preziosi, D., Sander, A., Barthélémy, A., Bibes, M. Reproducibility and off-stoichiometry issues in nickelate thin films grown by pulsed laser deposition. AIP Adv. 7 (1), (2017).
- Hensling, F. V. E., Xu, C., Gunkel, F., Dittmann, R. Unraveling the enhanced Oxygen Vacancy Formation in Complex Oxides during Annealing and Growth. Sci. Rep. 7, 39953 (2017).
- Xu, C., Bäumer, C., Heinen, R. A., Hoffmann-Eifert, S., Gunkel, F., Dittmann, R. Disentanglement of growth dynamic and thermodynamic effects in LaAlO3/SrTiO3 heterostructures. Sci. Rep. 6, 22410 (2016).
- Breckenfeld, E., et al. Effect of growth induced (non)stoichiometry on interfacial conductance in LaAlO3/SrTiO3. Phys. Rev. Lett. 110 (19), (2013).
