विभिन्न प्रक्रियाओं जटिल ऑक्साइड पतली फिल्मों का epitaxial विकास के लिए atomically परिभाषित टेम्पलेट्स तैयार करने के लिए रेखांकित कर रहे हैं। एकल क्रिस्टलीय SrTiO 3 (001) और DyScO 3 का रासायनिक उपचार (110) substrates के atomically चिकनी, एकल समाप्त कर सतहों प्राप्त करने के लिए प्रदर्शन किया गया। CA दो नायब 3 ओ – 10 nanosheets मनमाना substrates पर atomically परिभाषित टेम्पलेट्स बनाने के लिए इस्तेमाल किया गया।
Atomically परिभाषित सब्सट्रेट सतहों जटिल ऑक्साइड पतली फिल्मों का epitaxial विकास के लिए शर्त है। इस प्रोटोकॉल में, दो दृष्टिकोण इस तरह की सतहों में वर्णित हैं प्राप्त करने के लिए। पहले दृष्टिकोण ही समाप्त कर perovskite SrTiO 3 (001) और DyScO 3 (110) substrates की तैयारी है। एक annealing कदम सतह के चिकनाई बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया गया था, जबकि गीला नक़्क़ाशी, चुनिंदा दो संभव सतह समाप्ति के एक दूर करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। जिसके परिणामस्वरूप ही समाप्त कर सतहों उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता और सब्सट्रेट और फिल्म के बीच अच्छी तरह से परिभाषित इंटरफेस के साथ perovskite ऑक्साइड पतली फिल्मों की heteroepitaxial विकास के लिए अनुमति देते हैं। दूसरा दृष्टिकोण में, मनमाने ढंग से substrates पर epitaxial फिल्म विकास के लिए बीज परतों Langmuir-Blodgett (पौंड) nanosheets के बयान के द्वारा बनाया गया था। मॉडल प्रणाली सीए दो नायब रूप में 3 ओ – 10 nanosheets उनके स्तरित माता पिता के परिसर के delamination द्वारा तैयार इस्तेमाल किया गया,HCA दो नायब 3 हे 10। Nanosheets साथ बीज परत बनाने की एक प्रमुख लाभ अपेक्षाकृत महंगा है और आकार सीमित एकल क्रिस्टलीय substrates के लगभग किसी भी सब्सट्रेट सामग्री द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है।
अनुसंधान के बहुत सारे epitaxial पतली फिल्मों और सामग्री की संरचना और संरचना ट्यूनिंग द्वारा प्राप्त किया जा सकता है कि क्योंकि कार्यात्मक संपत्तियों की व्यापक रेंज के जटिल आक्साइड के heterostructures पर किया जाता है। कारण कई विकास तकनीकों के विकास के लिए, आजकल यह रचनाओं और थोक में नहीं पहुँचा जा सकता है कि क्रिस्टलीय गुणों के साथ फिल्मों की एक बड़ी रेंज बनाने के लिए संभव है। एक साथ मिलकर इन सामग्रियों के गुण अत्यधिक anisotropic कर रहे हैं कि इस तथ्य के साथ, यह है कि बनाता है epitaxial में फिल्मों घटना और functionalities थोक में प्राप्त नहीं कर रहे हैं कि मनाया जाता है। इसके अलावा, epitaxial के तनाव और heterostructures के सृजन के नए या बढ़ाया गुण प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 2
वांछित गुणों के साथ epitaxial फिल्मों और heterostructures विकसित करने के लिए आदेश में, अच्छी तरह से परिभाषित सतहों के साथ substrates के लिए आवश्यक हैं। सतह के रसायन शास्त्र या आकृति विज्ञान में स्थानीय मतभेद inhomogeneous एन का कारणफिल्म में अवांछित दोषों और अनाज की सीमाओं को जन्म देता है जो ucleation और विकास,। इसके अलावा, फिल्म और सब्सट्रेट के बीच इंटरफेस है, क्योंकि फिल्म की सीमित मोटाई के गुणों का निर्धारण करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस substrates के परमाणु स्तर पर चिकनी और सजातीय हैं कि आवश्यक हैं कि इसका मतलब है।
इस कसौटी substrates के लिए स्वाभाविक रूप से जैसे अच्छी तरह से परिभाषित सतहों, अन्य जटिल आक्साइड की जरूरत नहीं है कि इस्तेमाल किया जाता है जब तक पहुंचने के लिए कठिन है। इस दृष्टिकोण से, perovskite आक्साइड सबसे अधिक अध्ययन सब्सट्रेट सामग्री में से एक हैं। Perovskite आक्साइड ए और बी धातु आयनों के लिए खड़े जिसमें सामान्य सूत्र एबीओ 3, द्वारा प्रतिनिधित्व किया जा सकता है। लगभग सभी धातुओं यह संभव विभिन्न substrates की एक विस्तृत श्रृंखला के निर्माण के लिए बनाता है, जो एक या बी साइट में शामिल किया जा सकता है। सब्सट्रेट सामग्री की चंचलता एप्लाइड epitaxial के तनाव एक ट्यूनिंग द्वारा यह धुन के शीर्ष पर हो फिल्म के गुणों के लिए एक की अनुमति देता हैइंटरफेस में संरचना होगी। हालांकि, इन substrates पर विकास की वजह से (001) उन्मुख substrates के में विशेष रूप से दिखाई देता है, जो perovskite सतह के अस्पष्ट प्रकृति के लिए सीधा नहीं है। (001) दिशा में, perovskites एओ और बो दो की परतों बारी के रूप में देखा जा सकता है। एक (001) उन्मुख सब्सट्रेट एक बड़ा क्रिस्टल से cleaving द्वारा किया जाता है, जब दोनों आक्साइड सतह पर मौजूद हैं। क्रिस्टल पूरी तरह से (001) विमान के साथ cleaved कभी नहीं है, अत: यह घटना। चित्रा 1 में दिखाया गया है, इकाई सेल ऊंचाई मतभेदों के साथ छतों से मिलकर एक सतह रूपों। हालांकि, आधे से एक इकाई सेल की ऊंचाई मतभेद सतह समाप्ति के दोनों प्रकार की उपस्थिति जो इंगित करता है, साथ ही मौजूद हैं। Perovskite ऑक्साइड फिल्मों के विकास के लिए विशेष रूप से दिखाया गया है, क्योंकि यह सजातीय गुणों के साथ एक सतत फिल्म बढ़ने के क्रम में ही समाप्त कर perovskite substrates के लिए महत्वपूर्ण है। समाप्ति विकास कश्मीर में एक बड़ा अंतर पैदा कर सकता हैinetics, गैर निरंतर फिल्मों के विकास के लिए 3 प्रमुख -। ए ओ-B'O इंटरफेस बो-A'O इंटरफेस से पूरी तरह से अलग गुण हो सकता है के बाद से 5 इसके अलावा, स्टैकिंग आदेश, पूरा फिल्म सब्सट्रेट इंटरफेस के पार समान होना चाहिए। 6
एक भी समाप्त कर perovskite ऑक्साइड सतह प्राप्त करने के लिए पहली सफल विधि SrTiO 3 (001) उन्मुख substrates के लिए विकसित किया गया था। कावासाकी एट अल। 7 बाद में Koster एट अल द्वारा ameliorated किया गया था जो एक गीला नक़्क़ाशी विधि, की शुरुआत की। 8 विधि बफर हाइड्रोजन फ्लोराइड में एक छोटी खोदना द्वारा पीछा किया, पानी में इस ऑक्साइड hydroxylating द्वारा अम्लीय नक़्क़ाशी की ओर SRO की संवेदनशीलता में वृद्धि के होते हैं (BHF)। स्फटिकता बढ़ाने के लिए इसके बाद annealing के एक atomically चिकनी सतह 2 मौजूद है केवल TiO थे पैदावार। बाद में, एकल समाप्त कर दुर्लभ पृथ्वी scandates प्राप्त करने के लिए एक विधि के द्वारा विकसित किया गया थाबुनियादी समाधान में scandates की तुलना में दुर्लभ पृथ्वी आक्साइड के उच्च घुलनशीलता इस्तेमाल करते हैं। इस विधि को विशेष रूप से DyScO तीन उन्मुख orthorhombic (110) के लिए वर्णित किया गया था, और यह पूरी तरह से scandate समाप्त कर सतहों प्राप्त करने के लिए संभव है कि दिखाया गया था। 3 और DyScO 3 substrates के इस में वर्णित हैं इन एकल समाप्त कर SrTiO प्राप्त करने के लिए 9,10 विधियों प्रोटोकॉल।
एकल क्रिस्टलीय perovskite substrates के मूल्य है, वैकल्पिक रूप से, उपयुक्त क्रिस्टल संरचनाओं के बिना मनमाने ढंग से substrates के रूप में अच्छी तरह से epitaxial फिल्म विकास के लिए स्पष्ट किया जा सकता है। स्वयं द्वारा epitaxial फिल्म विकास के लिए अनुपयुक्त हैं कि substrates nanosheets की एक परत के साथ उन्हें कवर द्वारा उपयुक्त टेम्पलेट्स में बनाया जा सकता है। Nanosheets इस प्रकार वीं के epitaxial विकास को निर्देशित करने की क्षमता के अधिकारी कुछ नैनोमीटर की मोटाई और माइक्रोमीटर सीमा 11 में एक पार्श्व आकार के साथ, अनिवार्य रूप से दो-आयामी एकल क्रिस्टल होते हैं, औरफिल्मों में। एक मनमाना सब्सट्रेट पर nanosheets की एक परत जमा करके, एक बीज परत जाली मापदंडों से मेल खाते के साथ किसी भी फिल्म सामग्री के उन्मुख विकास के लिए बनाया जाता है। इस दृष्टिकोण का उन्मुख विकास के लिए सफल बताया गया है, उदाहरण के लिए जेडएनओ, 2 Tio, SrTiO 3, LaNiO 3, पंजाब (ZR, तिवारी) ओ 3 और SrRuO 3 12 – nanosheets, अपेक्षाकृत ऊंची कीमतों और आकार सीमाओं का उपयोग करके 15। नियमित एकल क्रिस्टलीय substrates के बचा जा सकता है और nanosheets लगभग किसी भी सामग्री सब्सट्रेट पर जमा किया जा सकता है।
Nanosheets आम तौर पर माता पिता के परिसर के क्रिस्टल संरचना द्वारा निर्धारित उनके विशिष्ट मोटाई के साथ, अपने असतत परतों में एक स्तरित माता पिता के परिसर के delamination द्वारा प्राप्त कर रहे हैं। 11 Delamination जलीय वातावरण में प्राप्त किया जा सकता है भारी के साथ माता पिता के परिसर में interlayer के धातु आयनों का आदान प्रदान से संरचना का कारण बनता है जो जैविक आयनों,फूल और अंततः unilamellar nanosheets में delaminate करने के लिए। इस काउंटर का आरोप लगाया जैविक आयनों से घिरे रहे हैं आरोप लगाया है कि nanosheets की एक कोलाइडयन फैलाव में यह परिणाम है। Delamination प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्रा 2 में दिखाया गया है कि वर्तमान प्रोटोकॉल में, सीए दो नायब 3 ओ – 10। Nanosheets एक मॉडल प्रणाली के रूप में इस्तेमाल किया गया है और इन perovskite माता पिता के परिसर HCA दो नायब 3 हे 10 से प्राप्त किया जा सकता है। CA दो नायब 3 ओ – 10 nanosheets SrTiO 3 के उन लोगों के लिए लगभग बराबर में विमान जाली पैरामीटर है और एक atomically चिकनी, एकल समाप्त कर सतह प्रदर्शित करते हैं। इसलिए, उच्च गुणवत्ता फिल्मों व्यक्ति nanosheets पर उगाया जा सकता है। Nanosheets की एक जलीय फैलाव प्राप्त हो जाने के बाद, वे Langmuir-Blodgett (पौंड) बयान से एक मनमाना सब्सट्रेट पर जमा किया जा सकता है। इस पद्धति का एक उच्च controllability साथ monolayers में nanosheet बयान में सक्षम बनाता है कि जीenerally electrophoretic बयान या flocculation जैसे अन्य पारंपरिक तकनीक से हासिल नहीं किया जा सकता है। nanosheets आसपास के 11 जैविक आयनों सतह सक्रिय अणु होते हैं और फैलाव की सतह के लिए फैलाना के लिए करते हैं, अस्थायी nanosheets की एक monolayer बनाने। इस monolayer के घने पैकिंग में संकुचित और एक मनमाना सब्सट्रेट पर जमा किया जा सकता है। बयान प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व 3 चित्र में दिखाया जाता है; 95% से अधिक की सतह कवरेज आम तौर पर 15 प्राप्त है – 18 और यह मुख्य रूप से nanosheets की stacking या किनारों अतिव्यापी बिना होता है। Multilayers दोहराया बयान के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।
वर्तमान प्रोटोकॉल सीए दो नायब 3 हे 10 में – nanosheets एक मॉडल प्रणाली के रूप में इस्तेमाल किया गया, लेकिन epitaxial फिल्म विकास के लिए एक बीज परत के रूप में nanosheets का उपयोग करने के सिद्धांत और अधिक व्यापक रूप से लागू होता है। ऑक्साइड nanosheets अधिक प्राप्त हालांकिसाहित्य में बीज परतों के रूप में ध्यान, अवधारणा के रूप में अच्छी तरह से इस तरह के बी एन, GaAs, तीस दो, ZnS और MGB 2 के रूप में गैर-ऑक्साइड nanosheets के लिए बढ़ाया जा सकता है। Nanosheets उनके माता पिता के परिसर की संरचना के वारिस के बाद इसके अलावा, विभिन्न functionalities माता पिता संरचना के उचित डिजाइन द्वारा डाला जा सकता है। उन्मुख फिल्म के विकास के लिए बीज परत के रूप में उनके उपयोग के अलावा, nanosheets की एक विस्तृत विविधता मौलिक सामग्री के गुणों का अध्ययन कर रहा है और नई कार्यात्मक संरचनाओं इंजीनियरिंग में एक मूल्यवान उपकरण बॉक्स साबित हो गया है 11,19 -। 22
इस प्रोटोकॉल epitaxial विकास ऑक्साइड पतली फिल्मों के लिए टेम्पलेट्स के विभिन्न प्रकार प्राप्त करने के लिए प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं को दर्शाता है। arbitrar पर nanosheet परतें – पूरी प्रक्रिया नायब सीए दो निर्माण करने के लिए 3 हे 10 अच्छी तरह से परिभाषित एकल समाप्त हुई तीन और DyScO 3 substrates के वर्णित हैं SrTiO, साथ ही प्रक्रिया प्राप्त करने के लिएsubstrates के वाई।
सभी perovskite ऑक्साइड सब्सट्रेट उपचार का सबसे महत्वपूर्ण पहलू काम की सफाई है। Annealing के दौरान अवांछित प्रतिक्रियाओं आसानी से सतह को नुकसान पहुंचा सकता है, जबकि भूतल संदूषण, सब्सट्रेट के क्षेत्रों की एचिंग रोका जा सके।
विभिन्न चरणों के आदेश के रूप में अच्छी तरह से महत्वपूर्ण है। पोस्ट-annealing के सब्सट्रेट की सतह के लिए थोक से अवांछित उप प्रसार करने के लिए सुराग के बाद से DyScO 3 के उपचार में, annealing के कदम, नक़्क़ाशी कदम से पहले किया जाना चाहिए। 12 एम NaOH समाधान में नक़्क़ाशी के बाद, एक 1 एम समाधान हमेशा सब्सट्रेट सतह पर डिस्प्रोसियम हाइड्रोक्साइड परिसरों की तेज़ी को रोकने के क्रम में इस्तेमाल किया जाना चाहिए। पानी में भिगोने SRO hydroxylize के क्रम में SrTiO तीन उपचार के लिए आवश्यक है। इस तरह, छोटी एचिंग टाइम्स के कारण अनियंत्रित एचिंग के लिए सतह के हानिकारक रोकता है जो इस्तेमाल किया जा सकता है। पानी में डुबो DyScO के मामले में एक वैकल्पिक कदम है <sub> 3 उपचार। यह कदम बस मानकीकृत SrTiO तीन उपचार प्रक्रिया से नकल की है और इलाज में किसी भी महत्व है की उम्मीद नहीं है।
annealing के चरणों सतह के स्फटिकता में सुधार के लिए आवश्यक हैं। DyScO 3 और SrTiO तीन उपचार के लिए संकेत दिया annealing के बार औसत पर, अच्छी तरह से परिभाषित कदम ledges के लिए कि नेतृत्व, बार कर रहे हैं। लेकिन, कभी कभी annealing के समय व्यापक छतों के साथ, यानी, एक कम miscut कोण के साथ substrates के लिए वृद्धि की जरूरत है। एक बढ़ा प्रसार लंबाई तो इष्टतम साइटों को खोजने के लिए सतह परमाणुओं के लिए आवश्यक है। SrTiO 3 के मामले में, एक बहुत लंबा annealing के समय सतह के लिए थोक से सीनियर परमाणुओं के अवांछित प्रसार का कारण बन सकता है। प्रतिनिधि परिणामों पर खंड में वर्णित के रूप में यह दूसरा समाप्ति, सीधे कदम किनारों और वर्ग छेद की उपस्थिति से सतह आकृति विज्ञान में मनाया जा सकता है। उस मामले में, सतह के उपचार गएक दोहराया जाना है, लेकिन अंतिम annealing के कदम 30 मिनट 26 के लिए 920 डिग्री सेल्सियस पर प्रदर्शन किया जाना चाहिए।
इस प्रोटोकॉल में वर्णित विधि (001) SrTiO 3 और दुर्लभ पृथ्वी scandates के लिए सबसे सफल तरीके हैं, लेकिन केवल इन substrates के लिए लागू कर रहे हैं। हालांकि, अन्य substrates के लिए तरीकों का सटीक सतह के रसायन शास्त्र के लिए समायोजित किया जाना चाहिए। अन्य झुकाव के साथ substrates इस्तेमाल किया जाता है जब यह भी आवश्यक है, या बजाय बी-साइट समाप्ति के एक साइट वांछित है। मौजूदा उपचार का अवलोकन सांचेज़ एट अल। 6 और Schlom एट अल में पाया जा सकता है। 2
Nanosheets के बीज परतों के बारे में, इस प्रक्रिया के नाजुक हिस्सों को उच्च गुणवत्ता nanosheet dispersions प्राप्त करने के लिए और बयान के दौरान प्रदूषण को रोकने के लिए कर रहे हैं। भारी जैविक आयनों के अलावा द्वारा unilamellar nanosheets में एक स्तरित माता पिता के परिसर के delamination आसानी से होता है, लेकिन nanosheets कुल करने के लिए करते हैंफैलाव और इस तरह के समुच्चय में सजातीय monolayers के बयान में बाधा होगी। इसलिए, यह फैलाव के निचले हिस्से का उपयोग करने के लिए उपयोग करने से पहले और नहीं तो कम से कम 24 घंटे के लिए आराम से कम एक हौसले से पतला फैलाव को छोड़ने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। इस बड़े समुच्चय व्यवस्थित करने के लिए और फैलाव के ऊपरी भाग अपेक्षाकृत शुद्ध हो जाएगा के लिए समय छोड़ देता है। चल रहे एकत्रीकरण लगातार फैलाव नीचा दिखाना होगा के बाद से कमजोर पड़ने की सिफारिश की है, के बाद एक सप्ताह के भीतर का उपयोग करें। फैलाव मात्रा भर nanosheet एकाग्रता में होने वाली ढाल शेयर फैलाव से लिया मात्रा में स्थानीय nanosheet एकाग्रता पर निर्भर करता है, पौंड बयान के दौरान सतह दबाव मूल्यों में कुछ बदलाव का कारण बनता है कि कृपया ध्यान दें। इसके अलावा, लेग बयान सतह सक्रिय अणुओं पर आधारित है और इस तरह संदूषण और आंदोलन करने के लिए बहुत ही संवेदनशील है। सेटअप और Wilhelmy थाली की सावधानी से सफाई और सुरक्षा के एजी (अधिमानतः सफाई उपकरणों के साथ इस स्थापना के लिए ही समर्पित)ainst हवा बह रही है और कंपन बहुत महत्वपूर्ण हैं।
लेग बयान से मनमाना substrates पर nanosheets का एक बीज परत बनाने की अवधारणा पतली फिल्म विकास के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण उपकरण है। nanosheets की atomically सही सतह सिद्धांत रूप में की उच्च गुणवत्ता epitaxial फिल्मों, जाली मापदंडों से मेल खाते के साथ किसी भी फिल्म सामग्री पैदावार। Nanosheets लगभग किसी भी सामग्री सब्सट्रेट पर जमा किया जा सकता है और इस तरह अन्य सामग्री अपेक्षाकृत महंगा है और आकार सीमित एकल क्रिस्टलीय substrates के बदल सकते हैं। लेग विधि आम तौर पर बयान electrophoretic या flocculation जैसे अन्य परम्परागत तकनीकों के द्वारा प्राप्त नहीं किया जा सकता है कि एक उच्च controllability साथ monolayers में बयान nanosheet सक्षम बनाता है। 11 बहरहाल, टोंटी बीज परत की पूर्णता की डिग्री में है। बड़े क्षेत्रों पर उच्च फिल्म गुणों कार्यात्मक उपकरणों में और तिथि करने के लिए विश्वसनीय आवेदन के लिए आवश्यक हैं, यह लक्ष्य प्राप्त नहीं किया गया है। साथ nanosheets जमा करने के लिएउनके में विमान अभिविन्यास नियंत्रित करने के लिए एक सही कवरेज और बेहतर भी क्षेत्र में मुख्य चुनौतियां हैं। फिर भी, कला की वर्तमान स्थिति पहले से ही अनुसंधान के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण उपकरण साबित हो गया है।
The authors have nothing to disclose.
इस काम के लिए आर्थिक रूप से एक Vidi अनुदान के माध्यम से वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए नीदरलैंड संगठन (NWO) द्वारा और शीर्ष और गूंज कार्यक्रमों के ढांचे में वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए नीदरलैंड संगठन (NWO-सीडब्ल्यू) की रसायन विज्ञान डिवीजन द्वारा समर्थित है।
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
tetra-n-butyl ammonium hydroxide (40 wt% aq) | Alfa Aesar | L02809 | corrosive |
Langmuir Blodgett setup (incl trough, barriers, Wilhelmy plate, frame etc) | KSV NIMA | see catalogue behind link for multiple options | http://www.ksvnima.com/file/brochures-2/ksvnimallbaccessoryandmodules 23-8-2013.pdf |
Buffered hydrogen fluoride (NH4F:HF = 87.5:12.5) | Sigma Aldrich | 40207 | Hazard statements: H301-H310-H314-H330, precautionary statements: P260-P280-P284-P301 + P310-P302 + P350-P305 + P351 + P338 |
NaOH (reagent grade) | Sigma Aldrich | S5881 | Hazard statements: H290-H314, precautionary statements: P280-P305 + P351 + P338-P310 , product purchased as pellets, the 12 and 1 M solutions should be made from these pellets. |
Tube furnace (Barnstead 21100) | Sigma Aldrich | Z229725 | |
STO and DSO substrates | CrysTec GmbH, Germany | – | www.crystec.de, size used 5 x 5 x 0.5 mm3 |