Crecimiento y propiedades electrostáticas químico de Metal/LaAlO3/SrTiO3 heteroestructuras
Summary
Fabricamos metal/LaAlO3/SrTiO3 heteroestructuras mediante una combinación de láser pulsado y en situ de magnetrón sputtering. A través de magnetotransport y en situ radiografía fotoelectrón espectroscopia experimentos, investigamos la relación entre los fenómenos electrostáticos y química del gas de electrones bidimensional casi formado en este sistema.
Abstract
El sistema del electrón cuasi 2D (q2DES) que se forma en el interfaz entre LaAlO3 (LAO) y SrTiO3 (STO) ha atraído mucha atención de la comunidad electrónica de óxido. Una de sus características de sello distintivo es la existencia de espesor crítico LAO de unidad 4-células (uc) para conductividad interfacial a emerger. Aunque se han propuesto mecanismos electrostáticos en el pasado para describir la existencia de este espesor crítico, la importancia de los defectos químicos se ha acentuado recientemente. Aquí, describimos el crecimiento de metal/LAO/STO heteroestructuras en un ultra alto (UHV) clúster sistema del vacío combinando deposición láser pulsado (a crecer al LAO), magnetrón sputtering (para hacer crecer el metal) y espectroscopía de fotoelectrones de rayos x (XPS). Se estudian paso a paso la formación y evolución de la q2DES y las interacciones químicas que se producen entre el metal y el LAO/STO. Además, experimentos de magnetotransport aclarar en el transporte y propiedades electrónicas de la q2DES. Este trabajo sistemático no sólo muestra una forma de estudiar la interacción electrostática y química entre el q2DES y su entorno, pero también abre la posibilidad de capas que capsula multifuncional de par con la rica física observada en dos dimensiones sistemas de electrones, permitiendo la fabricación de nuevos tipos de dispositivos.
Introduction
Sistemas cuasi electrón 2D (q2DES) se han utilizado como un parque infantil para estudiar multitud de baja dimensión y fenómenos cuánticos. Se han creado a partir del libro seminal en el sistema LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO)1, una explosión de los diferentes sistemas que albergan nuevas fases electrónicas interfaciales. Combinando diferentes materiales condujo al descubrimiento de q2DESs con propiedades adicionales, como giro armonioso campo eléctrico polarización2, electrones extremadamente altas movilidades3 o fenómenos ferroelectricidad-juntado4. Aunque un inmenso cuerpo de trabajo se ha dedicado a desentrañar la creación y manipulación de estos sistemas, varios experimentos y técnicas han demostrado resultados contradictorios, incluso en condiciones algo similares. Además, el equilibrio entre las interacciones electrostáticas y químicas fue encontrado para ser esencial para entender correctamente que la física en el juego5,6,7.
En este artículo, bien Describimos el crecimiento de diferente metal/LAO/STO heteroestructuras, usando una combinación de deposición láser pulsado (PLD) y en situ de magnetrón sputtering. Entonces, para entender el efecto de diferentes condiciones de la superficie en el q2DES enterrado en la interfaz de LAO/STO, se realiza un estudio electrónico y química, utilizando experimentos de espectroscopia de transporte y electrónica.
Puesto que anteriormente ya se habían utilizados varios métodos para crecer LAO cristalino en STO, la elección de técnicas de deposición adecuado es un paso crucial para la fabricación de heteroestructuras de óxido de alta calidad (además de tiempo y costo posible limita). En el PLD, un impulso de láser intenso y corto da en el blanco del material deseado, que entonces es quitado por ablación y consigue depositado en el sustrato como una película delgada. Una de las principales ventajas de esta técnica es la capacidad para transferir confiablemente la estequiometría del objetivo a la película, un elemento clave para lograr la formación de fase deseada. Además, la capacidad de realizar crecimiento capa por capa (seguimiento en tiempo real utilizando la difracción de electrones de gran energía de reflexión – RHEED) de un gran número de óxidos complejos, la posibilidad de tener múltiples objetivos dentro de la cámara en el (mismo) tiempo permitiendo el crecimiento de diversos materiales sin romper el vacío) y la simplicidad de la configuración de esta técnica uno de los más eficaces y versátiles.
Sin embargo, otras técnicas como la epitaxia de haces moleculares (MBE) permiten el crecimiento de crecimiento epitaxial de aún mayor calidad. En lugar de tener un objetivo de un material específico, en MBE cada elemento específico es sublimado hacia el sustrato, donde reaccionan entre sí para formar capas atómicas bien definidas. Además, la ausencia de especies altamente energéticas y más distribución uniforme de la energía permite la fabricación de interfaces extremadamente agudo8. Esta técnica es sin embargo mucho más complejo que el PLD cuando se trata de para el crecimiento de óxidos, ya que debe realizarse en ultra alto vacío condiciones (para que el largo significa vía libre no se destruye) y en general requiere una mayor inversión, costo – y tan. Aunque el proceso de crecimiento en las primeras publicaciones de LAO/STO era PLD, muestras con características similares se han cultivado por MBE9. También cabe señalar que se han cultivado LAO/STO heteroestructuras mediante pulverización catódica10. Aunque atómico sharp interfaces fueron alcanzadas a altas temperaturas (920 º C) y presiones de oxígeno alto (0,8 mbar), la conductividad superficial no fue alcanzada.
Para el crecimiento de los metálicos envases capas, utilizamos magnetrón sputtering, ya que proporciona un buen equilibrio entre calidad y flexibilidad. Otras técnicas de base de deposición de vapor químico sin embargo podrían ser utilizado para lograr resultados similares.
Por último, la combinación de técnicas de transporte y espectroscopia mostró en este artículo es un ejemplo de una manera sistemática de sondar interacciones electrónicas y químicas, haciendo hincapié en la importancia de cotejar diferentes enfoques para comprender plenamente las características de estos tipos de sistemas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante la terminación del sustrato, uno debe ser extremadamente cuidadoso con el tiempo sumergir en solución de HF. Observamos etched bajo y sobre superficies diferentes a sólo 5 s con respecto a la receta original. Además, se observó una dependencia entre el tamaño de paso de sustrato y sumergirse a tiempo. Para los tamaños de paso más pequeño (menos de 100 nm) sumergirse 30 s podría conducir a exceso de la aguafuerte, aunque luego el procedimiento de recocido puede ser suficiente para reconstruir correctamen…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo recibió apoyo de la ERC Consolidator Grant #615759 “Menta”, la región de Île-de-France Oxymore”DIM” (proyecto “NEIMO”) y el proyecto “NOMILOPS” de la ANR. H.N. fue apoyado en parte por el programa de núcleo a núcleo de EPSRC-JSP, JSP subvenciones para la investigación científica (B) (#15 H 03548). A.S. fue apoyada por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1; beca postdoctoral a A.S.). D.C.V. gracias el Ministerio de educación superior y la investigación y el CNRS francés para la financiación de su tesis doctoral. J.S. agradece a la Universidad de París-Saclay (programa D’Alembert) y el CNRS para financiar su estancia en el 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. |
Referências
- 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).
