복합 산화물 박막의 에피 택셜 성장을위한 원자 적으로 정의 된 템플릿
Summary
각종 절차는 복합 산화물 박막의 에피 택셜 성장을위한 원자 정의 된 템플릿을 준비하기 위해 설명되어 있습니다. 단결정 된 SrTiO3 3 (001) 및 (3)의 DyScO 화학적 처리는 (110) 기판은 원자 적으로 매끄러운 표면 단일 말단을 수득 하였다. 칼슘이 Nb를 3 O (10) – 나노 시트는 임의의 기판에 원자 적으로 정의 된 템플릿을 만드는 데 사용되었다.
Abstract
원자 적으로 정의 된 기판 표면은 복합 산화물 박막의 에피 택셜 성장을위한 필수 조건이다. 이 프로토콜에서 두 가지 방법은 표면이 설명되어 얻었다. 첫 번째 방법은 하나의 말단 3 페 로브 스카이 된 SrTiO3 (001) 및 DyScO 3 (110) 기판의 제조이다. 어닐링 단계는 표면의 평활성을 증가시키기 위해 사용 된 습식 에칭을하는 동안, 선택적으로 두 개의 가능한 표면 종단들 중 하나를 제거하기 위해 사용 하였다. 얻어진 단일 종결 표면은 높은 결정 품질과 기판과 막 사이의 잘 정의 된 인터페이스를 갖는 페 로브 스카이 트 산화물 박막의 헤테로 에피 택셜 성장을 허용한다. 두 번째 방법에서, 임의의 기판에 에피 택셜 막을 성장을위한 시드 층은 랭 뮤어 – 블로 젯 (LB) 나노 시트의 증착에 의해 만들어졌습니다. 모델 시스템이 칼슘 Nb를 3 내지 10 O – 나노 시트가 적층 그들의 모 화합물의 박리에 의해 제조, 사용 된HCA 2 Nb를 3 O (10). 나노 시트에 시드 층을 생성하는 주요 장점은 상대적으로 비싸고 제한된 크기의 단결정 기판을 거의 모든 기판 물질로 대체 될 수 있다는 것이다.
Introduction
많은 연구는 에피 택셜 박막 및 재료의 조성 및 구조를 조정함으로써 얻어 질 수 있기 때문에 기능적 특성의 광범위한 복합 산화물의 헤테로 구조에 대해 수행된다. 인해 여러 성장 기술의 발달로, 요즘 조성물 및 대량으로 도달 할 수없는 결정 자질을 가진 필름의 넓은 범위를 만드는 것이 가능하다. 하나 함께 이들 재료의 특성은 고도의 이방성 있다는 사실이 있음을 만든다 에피 택 필름 현상 및 기능을 대량으로 획득되지 않은 관찰된다. 또한, 에피 택셜 스트레인과 헤테로 구조의 생성은 새로운 또는 향상된 특성을 얻기 위해 사용될 수있다. (2)
원하는 성질을 갖는 에피 택셜 필름과 헤테로 구조를 성장시키기 위해, 잘 정의 된 표면을 갖는 기판이 요구된다. 표면 화학 또는 형태의 지역 차이가 불균일 N의 원인영화에서 원하지 않는 결함과 결정립계에 상승을 제공 ucleation과 성장. 또한, 필름과 기판 사이의 계면으로 인해 필름의 두께가 제한의 특성을 결정하는데 중요한 역할을한다. 이 기판은 원자 수준에 부드럽고 균일 한 것을 필요하다는 것을 의미한다.
이러한 기준은 예를 들어 기판이 자연적으로 잘 정의 된면, 다른 복합 산화물이없는 것을 사용하는 경우 달성하기 어렵다. 이러한 관점에서, 페 로브 스카이 트 산화물이 연구의 대부분의 기판 재료 중의 하나이다. 페 로브 스카이 트형 산화물 및 B는 금속 이온 방치하는 ABO 일반 식 (3)으로 나타낼 수있다. 대부분의 금속은 서로 다른 것이 가능 광범위한 기판을 제조 할 수있다 또는 B 사이트에 통합 될 수있다. 기판 재료의 범용성인가 택셜 스트레인을 조정하여 조정 그 위에 성장 된 필름의 특성을 하나 허용계면 구조를 좋아. 그러나, 이러한 기판에 성장으로 인해 (001) 중심의 기판에 특히 볼 수있는 페 로브 스카이 트 표면의 모호한 성격 간단하지 않다. (001) 방향으로는 티탄 석 AO BO 및 (2)의 교호 층으로 볼 수있다. (001) 배향 된 기판의 클 리빙 큰 결정으로 제조되는 경우, 두 산화물 표면에 존재한다. 완벽한 결정 (001)면을 따라 절단 한 적이 있기 때문에 이런 현상이.도 1에 도시되고, 단위 셀의 높이 차이로 계단식 이루어진 표면 형태. 그러나, 반 유닛 셀의 높이 차이는 표면 종단 두 유형의 존재를 나타내는,도 존재한다. 페 로브 스카이 트 산화물 막들의 성장을위한, 특히 도시 된 바와 같이 그것은 균질 한 특성을 갖는 연속적인 필름을 성장시키기 위해 단일 종단 페 로브 스카이 기판을 갖는 것이 중요하다. 종단 성장 K에서 큰 차이가 발생할 수있다inetics는, 비 연속 필름의 성장으로 이어지는 3 -. AO-B'O 인터페이스 BO-A'O 인터페이스보다 완전히 다른 특성을 가질 수 있기 때문에 5는 또한, 적층 순서는, 완전한 필름 기판 인터페이스에서 유사해야합니다. (6)
단일 종단 페 로브 스카이 트 산화물 표면을 얻기 위해 성공적인 제 3 방법 된 SrTiO3 (001) 배향의 기판을 위해 개발되었다. 가와사키 등. (7)은 나중에 코스터 등에 의해, 개선 된 습식 에칭 방법을 도입했다. (8)에있어서 버퍼링 된 불화 수소 짧은 에칭 한 후, 물이 산화 hydroxylating하여 산성 에칭쪽으로의 SrO 감도를 증가 이루어져 (BHF). 결정 성을 증대에 후속 어닐링은 원자 적으로 매끄러운 표면 2가 존재하는 경우에만 티오 수득 하였다. 나중에, 단일 종단 희토류 scandates을 수득하는 방법이 개발 한 것염기성 용액 scandates에 비해 희토류 산화물의 높은 용해도를 사용. 이 방법은 특히 DyScO 3 배향 사방 정계 (110)에 대해 설명하고, 그것이 완전히 scandate 종결 표면을 얻을 수 있음을 도시 하였다.도 3 및 DyScO 3 기판이 설명된다 이러한 단일 종결 된 SrTiO3를 얻기 9,10 방법 프로토콜입니다.
단결정 기판 페 로브 스카이 트의 값이지만, 대안 적으로, 적절한 결정 구조가없는 임의의 기판은 또한 에피 택셜 필름 성장에 명확한 사용될 수있다. 스스로 에피 택셜 필름 성장에 부적합하다 기판은 나노 시트의 층으로 덮어서 적합한 템플릿으로 할 수있다. 따라서 나노 시트 번째의 에피 택셜 성장을 지시 할 수있는 능력을 소유한다 몇 나노 미터의 두께 및 11 마이크로 미터 범위의 가로 치수와 본질적으로 이차원 단결정이며영화에서. 임의의 기판 상에 나노 시트의 층을 증착함으로써, 시드 층은 격자 파라미터와 일치하는 임의의 막 재료의 성장 방향에 대해 생성된다. 이러한 접근 방식은의 지향 성장 성공적인보고되었다 예컨대 된 ZnO, 이산화 티탄, 된 SrTiO3 3 LaNiO 세 의해, Pb (Zr, Ti) O 3 및 SrRuO 3~12 – 나노 시트, 상대적으로 높은 가격과 크기 제한을 사용함으로써 15. 정규 단결정 기판을 회피 할 수 있고, 나노 시트는 거의 모든 재료를 기판 상에 증착 될 수있다.
나노 시트는 일반적으로, 모 화합물의 결정 구조에 의해 결정된 특정 두께와, 그 불연속 층으로 적층 모 화합물의 박리에 의해 얻어진다. (11) 박리가 수성 환경에서 달성 될 수있는 부피를 가진 모 화합물의 층간 금속 이온을 교환함으로써 구조를 일으키는 유기 이온,팽창 궁극적으로 단일 층 나노 시트로 박리합니다. 이 카운터 충전 유기 이온에 의해 둘러싸여있다 부과 나노 시트의 콜로이드 분산을 초래한다. 박리 공정의 개략도는도 2에 도시되는 본 프로토콜, CA이 Nb를 3 O 10 -. 나노 시트는 모델 시스템으로 사용하고, 이러한 페 로브 스카이 트, 모 화합물의 HCA이 Nb를 3 O (10)로부터 얻을 수있다. 칼슘이 Nb를 3 O (10) – 나노 시트가 된 SrTiO3 3의 것과 거의 동일 평면 격자 매개 변수를 가지고 아주 매끄러운, 단일 종료 표면을 표시합니다. 따라서, 고품질의 필름의 개별 나노 시트 상에 성장 될 수있다. 나노 시트의 수성 분산액이 얻어지면, 그들은 랑뮈에 – 블로 젯 (LB) 법에 의해서, 임의의 기판 상에 증착 될 수있다. 이 방법은 높은 제어 성의 단층 나노 시트의 증착을 가능하게한다는 generally는 전기 영동 증착 또는 응집과 같은 다른 종래의 기술에 의해 달성 될 수 없다. 나노 시트 (11)를 둘러싸는 유기 이온 계면 활성 분자이고 분산액의 표면으로 확산하는 경향이 부동의 단층 나노 시트를 작성. 이 단분자막은 밀집로 압축하고 임의의 기판 상에 증착 될 수있다. 증착 프로세스의 개략도가도 3에 도시되고; 95 % 이상의 표면에 따르면 일반적으로 달성 15 – 18이 주로 나노 시트 또는 적층 가장자리를 겹치지 않도록 발생한다. 다층막 성막을 반복함으로써 얻어 질 수있다.
본 프로토콜 칼슘 Nb를 2 O 3 10 – 나노 시트는 모델 시스템으로 사용되었지만, 에피 택셜 막 성장을위한 시드 층으로 나노 시트를 사용하는 원리는 더욱 광범위하게 적용될 수있다. 산화물 나노 시트는 더받을 수 있지만문헌에서 시드 층으로서 관심이 개념은 물론 예컨대 BN, GaAs로, TIS 2 인 ZnS와 MGB이 비 산화물 나노 시트로 확장 될 수있다. 나노 시트가 모 화합물의 조성물을 계승하기 때문에, 각종 기능성은 상위 구조의 적합한 설계에 의해 삽입 될 수있다. 배향 된 필름 성장을위한 시드 층으로서의 용도뿐만 아니라, 나노 시트의 다양한 기본 물성을 연구하고 새로운 기능성 구조 공학 유용한 도구로 입증되었다 11,19 -. 22
이 프로토콜은 에피 택셜 성장 산화물 박막에 대한 템플릿의 다른 유형을 획득하기 위해 실험 절차를 도시한다. arbitrar에 나노 시트 층 – 전체 절차는 Nb를에게이 칼슘을 제조하는 3 열 O를 잘 정의 된 단일 종단 (3)과 기판 (3) DyScO를 기술 된 SrTiO3뿐만 아니라 절차를 구하는기판의 Y.
Protocol
Representative Results
Discussion
모두 페 로브 스카이 트 산화물의 기판 처리의 가장 중요한 측면은 작업의 청결도이다. 소둔 원하지 않는 반응이 용이하게 표면을 손상시킬 수있는 반면, 표면 오염은, 기판의 영역의 에칭을 방지한다.
다른 단계들의 순서는 물론 중요하다. 포스트 어닐링은 기판의 표면에서 원하지 않는 대량의 Dy 확산 이후 DyScO 리드 (3)의 처리에서, 상기 어닐링 단계는, 에칭 단계 이전에 수행되어야한다. 12 M NaOH 용액으로 에칭 한 후, 1 M 용액을 항상 기판 표면 상에 수산화 디스프로슘 착체의 침전을 방지하기 위해 사용되어야한다. 물에 몸을 담근 것은가 SrO hydroxylize하기 위하여 된 SrTiO3 (3) 치료를 위해 필요하다. 이러한 방식으로, 짧은 에칭 시간으로 인해 제어되지 않은 에칭면의 손상을 방지하는 데 사용된다. 물에 담그는 것은 DyScO 경우에 선택적인 단계입니다 <sub> 3 치료. 이 단계는 단순히 표준화 된 SrTiO3 치료 과정 3에서 복사 및 치료에 어떠한 의미를 가질 것으로 예상되지 않는다.
어닐링 단계는 표면의 결정 성을 향상시키기 위하여 필요하다. DyScO 3 된 SrTiO3 (3) 치료에 대한 표시 어닐링 시간은 평균적으로 잘 정의 된 단계 선반으로 이어질 시간이다. 그러나 때로는 어닐링 시간은 넓은 테라스, 즉, 낮은 각도로 잘려진 기판에 대해 증가 될 필요가있다. 증가 된 확산 길이이어서 최적의 위치를 찾기 위해 표면 원자 요구된다. 된 SrTiO3 (3)의 경우에, 너무 긴 어닐링 시간은 표면에 대량 제조 SR 원자의 불필요한 확산을 일으킬 수도있다. 대표적인 결과 섹션에 설명 된대로이 두 번째 종료는, 직선 스텝 모서리와 각 구멍의 모양으로 표면 형태에 관찰 할 수있다. 이 경우, 표면 처리 C반복 수 있지만, 최종 어닐링 단계는 30 분간 26 ° C (920)에서 수행되어야한다.
이 프로토콜에서 설명하는 방법 (001) 된 SrTiO3 3 및 희토류 scandates위한 가장 성공적인 방법이지만, 이들의 기판에 적용될 수있다. 그러나, 다른 기판에 대한 방법은 정확한 표면 화학을 조정해야합니다. 다른 방향으로의 기판을 사용하는 경우도 필요하거나, 대신에 B 사이트의 종단 사이트가 요구 될 때. 기존 치료의 개요는 산체스 등. 6 Schlom 등에서 찾을 수 있습니다. 2
나노 시트의 시드 층과 관련하여, 프로세스의 민감한 부품은 고품질의 나노 시트 분산 물을 얻기 위해 상기 증착 동안 오염을 방지한다. 부피가 큰 유기 이온의 첨가에 의해 단층 나노 시트로 적층 모 화합물의 박리가 용이하게 발생하지만 나노 시트는 응집하는 경향분산 체 및 동종 응집체 단층의 증착을 방해 할 것이다. 따라서, 분산액의 하부를 사용하여 사용 전에 아닌 적어도 24 시간 동안 안정을 갓 희석 분산액을두고하는 것이 매우 중요하다. 이것은 큰 집계가 정착하고 분산의 상부는 비교적 순수한 될 것이다 시간을 떠난다. 지속적인 집계가 계속 분산을 저하 때문에 희석 권장 후, 1 주일 이내에 사용한다. 부피에 걸쳐 분산 나노 시트 농도 구배 발생 스톡 분산액으로부터 취한 지방 체적 나노 시트 농도에 따라 LB 증착 중에 면압 값의 일부 변형을 야기 양해 바랍니다. 또한, LB 증착은 표면 – 활성 분자를 기반으로하며, 따라서 오염 및 이동에 매우 민감하다. 설치 및 빌헬 판의주의 깊은 청소 및 보호 AG (바람직하게 청소 도구이 설정 만 전용)ainst 공기가 흐르는 진동은 매우 중요하다.
LB 피착에 의해 기판 상에 나노 시트 임의의 시드 층을 만드는 개념은 박막 성장의 분야에서 유용한 도구이다. 나노 시트의 표면에 원자 완벽 원칙적으로 고품질의 에피 택셜 막을, 격자 파라미터와 일치하는 임의의 막 재료를 수득 하였다. 나노 시트는 거의 모든 재료를 기판 상에 증착 될 수 있으며, 따라서 다른 재료는 비교적 고가이고 제한된 크기의 단결정 기판을 대체 할 수있다. LB 법은 일반적으로 전기 영동 증착 또는 응집과 같은 다른 종래의 기술에 의해 달성 될 수없는 높은 제어 성 단층 나노 시트에 증착을 가능하게한다.도 11은 다소 병목 시드 층의 완성도이다. 넓은 영역에 걸쳐 높은 영화 자질이 기능 장치에서 현재까지 신뢰할 수있는 응용 프로그램에 필요한이 달성되지 않았습니다. 와 나노 시트를 입금그들의 면내 배향을 제어하는 최적 범위 및 바람직하게는 필드 주요 과제이다. 그럼에도 불구하고, 본 기술 분야의 현재 상태는 이미 연구 가치있는 도구임이 입증되었다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 재정적으로 VIDI 보조금을 통해 과학 연구에 대한 네덜란드기구 (NWO)에 의해 TOP과 ECHO 프로그램의 프레임 워크에서 과학 연구에 대한 네덜란드기구 (NWO-CW)의 화학 과학 부문에 의해 지원됩니다.
Materials
| 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 |
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