Crescita ed elettrostatico/chimica proprietà di metallo/LaAlO3/SrTiO3 eterostrutture
Summary
Noi fabbricare eterostrutture di metallo/LaAlO3/SrTiO3 utilizzando una combinazione di deposizione laser pulsato e in situ magnetron sputtering. Attraverso magnetotransport ed in situ esperimenti di spettroscopia fotoelettronica a raggi x, studiamo l’interazione fra fenomeni elettrostatici e chimici del gas elettronici bidimensionali quasi formata in questo sistema.
Abstract
Il sistema quasi 2D elettrone (q2DES) che si forma all’interfaccia fra LaAlO3 (LAO) e SrTiO3 (STO) ha attirato molta attenzione da parte della comunità elettronica ossido. Una delle sue caratteristiche di segno distintivo è l’esistenza di uno spessore di LAO critico di 4 unità-celle (uc) per conducibilità interfacciale ad emergere. Anche se elettrostatiche meccanismi sono stati proposti in passato per descrivere l’esistenza di questo spessore critico, l’importanza dei difetti chimici è stato recentemente accentuato. Qui, descriviamo la crescita delle eterostrutture di metallo/LAO/STO in un sistema ultra-ad alto vuoto (UHV) cluster combinando deposizione laser pulsato (a crescere il LAO), magnetron sputtering (per far crescere il metallo) e spettroscopia fotoelettronica a raggi x (XPS). Studiamo, passo dopo passo, la formazione e l’evoluzione del q2DES e le interazioni chimiche che avvengono tra il metallo e il LAO/STO. Inoltre, esperimenti di magnetotransport delucidano sul trasporto e proprietà elettroniche della q2DES. Questo lavoro sistematico non solo viene illustrato un modo per studiare l’interazione elettrostatica e chimica tra il q2DES e il suo ambiente, ma anche Sblocca la possibilità agli strati tappatura multifunzionale di coppia con la ricca fisica osservata in bidimensionale sistemi elettronici, permettendo la realizzazione di nuovi tipi di dispositivi.
Introduction
Sistemi di elettroni 2D quasi (q2DES) sono stati utilizzati estesamente come un parco giochi per studiare una moltitudine di bassa dimensionalità e fenomeni quantistici. A partire dalla carta seminale sul sistema LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO)1, uno scoppio di diversi sistemi che ospitano nuove fasi interfacciale elettronici sono stati creati. La combinazione di diversi materiali ha portato alla scoperta di q2DESs con proprietà aggiuntive, ad esempio di polarizzazione di spin sintonizzabile campo elettrico2, elettrone estremamente elevata mobilità3 o fenomeni accoppiati a ferroelettricità4. Anche se un immenso corpo di lavoro è stato dedicato per svelare la creazione e la manipolazione di questi sistemi, diversi esperimenti e tecniche hanno dimostrato risultati contraddittori, anche in condizioni piuttosto simili. Inoltre, l’equilibrio tra le interazioni elettrostatiche e chimiche è stato trovato per essere essenziale per comprendere correttamente che la fisica a Gioca5,6,7.
In questo articolo, descriviamo accuratamente la crescita di diversi metalli/LAO/STO eterostrutture, utilizzando una combinazione di deposizione laser pulsato (PLD) e in situ magnetron sputtering. Quindi, per comprendere l’effetto delle diverse condizioni della superficie nella q2DES sepolto nell’interfaccia di LAO/STO, viene eseguito uno studio elettronico e chimico, mediante esperimenti di spettroscopia di elettrone e trasporto.
Poiché più metodi precedentemente sono stati usati per crescere cristallina LAO su STO, la scelta delle tecniche di deposizione appropriato è un passo fondamentale per la realizzazione di eterostrutture di ossido di alta qualità (oltre al costo possibile e tempo vincola). Nei dati PLD forniti, un impulso breve e intenso laser colpisce il bersaglio del materiale desiderato, che viene quindi rimosso e viene depositato sul substrato come una sottile pellicola. Uno dei principali vantaggi di questa tecnica è la capacità di trasferire in modo affidabile la stechiometria del target del film, un elemento chiave per realizzare la formazione di fase desiderata. Inoltre, la capacità di eseguire-strati-crescita (monitorato in tempo reale utilizzando la diffrazione di elettroni ad alta energia di riflessione – RHEED) di un vasto numero di ossidi complessi, la possibilità di avere obiettivi multipli all’interno della camera stessa (tempo permettendo la crescita di diversi materiali senza rompere il vuoto) e la semplicità dell’installazione fanno di questa tecnica, uno dei più efficaci e versatili.
Ancora, altre tecniche come l’epitassia da fasci molecolari (MBE) permettono la crescita di crescita epitassiale di qualità ancora più elevata. Invece di avere un bersaglio di un determinato materiale, in MBE ogni elemento specifico si sublima verso il substrato, dove reagiscono con a vicenda per formare strati atomici ben definiti. Inoltre, l’assenza di specie altamente energetico e una distribuzione più uniforme dell’energia consente la realizzazione di interfacce estremamente taglienti8. Questa tecnica è tuttavia molto più complessa di PLD quando si tratta per la crescita di ossidi, poiché deve essere eseguito in ultra-alto vuoto condizioni (in modo che il lungo significa percorso libero non viene distrutta) e richiede in generale un investimento più grande, costo – e comparate. Anche se il processo di crescita utilizzato nelle pubblicazioni LAO/STO prime era PLD, campioni con caratteristiche simili sono stati coltivati da MBE9. Vale anche la pena notare che LAO/STO eterostrutture sono state coltivate utilizzando “sputtering”10. Anche se atomicamente affilate interfacce sono stati raggiunti alle alte temperature (920 ° C) e ossigeno ad alta pressione (0,8 mbar), interfacciale conducibilità non è stato raggiunto.
Per la crescita di metallico strati di coperchiamento, usiamo il magnetron sputtering, poiché fornisce un buon equilibrio tra qualità e flessibilità. Altre tecniche di deposizione basata di vapore chimico potrebbero tuttavia essere utilizzato per ottenere risultati simili.
Infine, la combinazione di tecniche di spettroscopia e di trasporto ha mostrato in questo articolo esemplifica un modo sistematico di interazioni sia elettroniche e chimiche, sottolineando l’importanza di controlli incrociati di diversi approcci per comprendere appieno di sondaggio molte caratteristiche di questi tipi di sistemi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante la chiusura del substrato, uno dovrebbe essere estremamente attento con il tempo sommergenti in soluzione di HF. Abbiamo osservato sotto – e sovra – etched superfici di varia solo 5 s per quanto riguarda la ricetta originale. Inoltre, abbiamo osservato una dipendenza tra substrato passo dimensioni e tempo di sommersione. Per dimensioni di passaggio inferiori (meno di 100 nm) sommergendo 30 s potrebbe portare a sovra-incisione, anche se in seguito la procedura di ricottura potrebbe essere sufficiente per ricostrui…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro ha ricevuto sostegno dall’ERC Consolidator Grant n. 615759 “Menta”, la regione Île-de-France DIM “Oxymore” (progetto “NEIMO”) e il progetto ANR “NOMILOPS”. H.N. era parzialmente supportati dal programma Core Core di EPSRC-JSPS, JSPS sovvenzione per la ricerca scientifica (B) (#15 H 03548). A.S. è stata sostenuta dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1; postdoctoral fellowship per A.S.). D.C.V. ringrazia il Ministero francese dell’istruzione superiore e ricerca e CNRS per il finanziamento della sua tesi di dottorato di ricerca. J.S. grazie l’Università Paris-Saclay (programma D’Alembert) e il CNRS per finanziare la sua permanenza al 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).
