النمو والخصائص الكيميائية الكتروستاتي للمعدن/ﻻلو3/SrTiO3 هيتيروستروكتوريس
Summary
نحن تلفيق المعادن/ﻻلو3/SrTiO3 هيتيروستروكتوريس باستخدام مزيج من ترسب الليزر النبضي والأخرق ماغي في الموقع . من خلال ماجنيتوترانسبورت و في الموقع تجارب مطيافية إلكترون الأشعة السينية، ونحن التحقيق في التفاعل بين الظواهر الكهربائية والكيميائية من الغاز إلكترون ثنائي الأبعاد أو شبه شكلت في هذا النظام.
Abstract
النظام شبه الإلكترون 2D (q2DES) التي تشكل في التفاعل بين ﻻلو3 (لاو) وسرتيو3 (ستو) جذبت الكثير من الاهتمام من جانب المجتمع الإلكترونيات أكسيد. واحد من ميزاته مميزة هو وجود سمك لاو الحاسمة 4 وحدة الخلايا (uc) للتوصيل السطح البيني الظهور. على الرغم من أن آليات الالكتروستاتيكي قد اقترحت في الماضي لوصف وجود هذا سمك الحرجة، قد أبرزت أهمية العيوب الكيميائية مؤخرا. هنا، نحن تصف نمو المعادن/لاو/ستو هيتيروستروكتوريس في نظام كتلة (اوهف) فراغ فائقة الجمع بين ترسب الليزر النبضي (تنمو لاو)، ماغي اﻷخرق (تنمو المعادن) ومطيافيه الأشعة السينية النانومترية (XPS). علينا أن ندرس خطوة بخطوة تشكيل وتطور في q2DES والتفاعلات الكيميائية التي تحدث بين المعدن ولاو/ستو. بالإضافة إلى ذلك، توضح التجارب ماجنيتوترانسبورت على النقل والخصائص الإلكترونية q2DES. هذا العمل المنهجي ليس فقط يوضح طريقة لدراسة التفاعل الالكتروستاتيكي والكيميائية بين q2DES وبيئتها، ولكن أيضا يفتح إمكانية الزوجين طبقات متوجا متعدد الوظائف مع الفيزياء الغنية التي لوحظت في ثنائي الأبعاد نظم الإلكترون، مما يسمح تصنيع أنواع جديدة من الأجهزة.
Introduction
نظم الإلكترون 2D شبه (q2DES) قد استخدمت على نطاق واسع كملعب لدراسة العديد من الأبعاد منخفضة والظواهر الكم. تم إنشاؤها بدءاً من الورقة المنوي على النظام3 /SrTiO3ﻻلو (جمهورية لاو/ستو)1، دفعة من النظم المختلفة التي تستضيف مراحل الإلكترونية السطح البيني الجديد. الجمع بين مواد مختلفة أدت إلى اكتشاف q2DESs مع خصائص إضافية، مثل الحقل الكهربائي الانضباطي تدور الاستقطاب2، الإلكترون عالية للغاية موبيليتيس3 أو الظواهر فيرروليكتريسيتي-إلى جانب4. على الرغم من أن هيئة هائلة من عمل كرست لكشف إنشاء والتلاعب بهذه الأنظمة، أظهرت عدة تجارب وتقنيات نتائج متناقضة، حتى في ظروف مماثلة بدلاً من ذلك. بالإضافة إلى ذلك، عثر على التوازن بين التفاعلات الكهربائية والكيميائية ضرورية لفهم بشكل صحيح الفيزياء في اللعب5،،من67.
في هذه المقالة، نحن دقة وصف نمو مختلف المعادن/لاو/ستو هيتيروستروكتوريس، باستخدام مزيج من ترسب الليزر النبضي (PLD) و في الموقع ماغي اﻷخرق. ثم، يتم لفهم تأثير مختلف الظروف السطحية في q2DES مدفونة في الواجهة لاو/ستو، دراسة الإلكترونية والكيميائية، استخدام التجارب مطيافية إلكترون والنقل.
نظراً لأساليب متعددة قد استخدمت سابقا لتنمو لاو البلورية على ستو، اختيار التقنيات المناسبة ترسب خطوة حاسمة لتصنيع عالية الجودة أكسيد هيتيروستروكتوريس (بالإضافة إلى الوقت والتكلفة المحتملة يقيد). في الملعوبة، يضرب نبض ليزر مكثفة وقصيرة هدفا للمواد المطلوب، الذي هو ثم أبلاتيد ويحصل المودعة في الركيزة كطبقة رقيقة. واحدة من المزايا الرئيسية لهذا الأسلوب هو القدرة على نقل موثوق stoichiometry المستهدفة للفيلم، وعنصرا أساسيا من أجل تحقيق تشكيل المرحلة المرجوة. وعلاوة على ذلك، القدرة على أداء نمو طبقة بطبقة (رصد في الوقت الحقيقي باستخدام الانعكاس حيود الإلكترونات ذات الطاقة العالية-ريد) عدد ضخم من أكاسيد المعقدة، إمكانية وجود أهداف متعددة داخل قاعة في (الوقت نفسه مما يسمح بزيادة مواد مختلفة دون كسر الفراغ) وبساطة الإعداد تجعل هذه التقنية واحدة من الأكثر فعالية وتنوعاً.
حتى الآن، تقنيات أخرى مثل تنضيد الحزمة الجزيئية (MBE) السماح بنمو أعلى جودة النمو الفوقي. بدلاً من أن هدف مادة محددة، في MBE كل عنصر محدد هو متسامي نحو الركازة، حيث أنها تتفاعل مع بعضها البعض لتشكل طبقات ذرية محددة تحديداً جيدا. بالإضافة إلى ذلك، يسمح غياب الأنواع نشيطة جداً وتوزيع الطاقة الموحدة أكثر تلفيق واجهات حادة الغاية8. هذا الأسلوب هو ولكن أكثر تعقيداً من الملعوبة عندما يتعلق الأمر إلى نمو أكاسيد، نظراً لأنه يجب أن يتم في فائقة فراغ شروط (حيث أنه يعني منذ فترة طويلة لم يتم تدمير المسار الحر) ويتطلب استثماراً أكبر، التكلفة-بشكل عام وتموز. على الرغم من أن عملية النمو المستخدمة في المنشورات لاو/ستو أول الملعوبة، قد نمت عينات ذات خصائص مماثلة MBE9. كما تجدر الإشارة إلى أن هيتيروستروكتوريس لاو/ستو قد نمت باستخدام اﻷخرق10. على الرغم من أن تحققت واجهات الذرة حاد في درجات الحرارة المرتفعة (920 درجة مئوية) والأكسجين المرتفعة الضغوط (0.8 [مبر])، لم يتحقق ناقلية السطح البيني.
نمو معدنية وضع سقف للطبقات، نستخدم ماغي اﻷخرق، كما أنه يوفر توازناً جيدا بين الجودة والمرونة. تقنيات ترسب على أساس بخار الكيميائية الأخرى قد تكون المستخدمة للتوصل إلى نتائج مماثلة.
وأخيراً، تجسد الجمع بين تقنيات النقل والتحليل الطيفي وأظهر في هذه المقالة طريقة منهجية لاستكشاف التفاعلات الإلكترونية والكيميائية، وإذ تؤكد أهمية أنشأها نهج مختلفة لنفهم تماما العديد من ميزات هذه الأنواع من النظم.
Protocol
Representative Results
Discussion
أثناء إنهاء الركازة، واحدة ينبغي أن تكون حذراً للغاية مع الوقت غمر في الحل التردد. لاحظنا السطوح ضمن وعبر اتشيد 5 عادل متفاوتة s فيما يتعلق بوصفه الأصلي. بالإضافة إلى ذلك، لاحظنا من اعتماد بين حجم الخطوة الركيزة وغمر الوقت. لأحجام خطوة صغيرة (أقل من 100 نانومتر) غمر 30 s قد تؤدي إلى النقش المفرط?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وتلقى هذا العمل الدعم من منسق الإغاثة الطارئة Consolidator منحة #615759 “النعناع”، ومنطقة إيل-دو-فرانس قاتمة “Oxymore” (مشروع “نيمو”) ومشروع ANR “نوميلوبس”. وأيد البرنامج الأساسية للنواة EPSRC-JSPS، JSPS معونات للعلمية البحثية (ب) (15 # ح 03548) وفقا جزئيا. وأيد A.S. الأوقيانوغرافية ألماني (هو 53461-1؛ زمالات ما بعد الدكتوراه إلى أ. س.). D.C.V. وذلك بفضل الوزارة الفرنسية للتعليم العالي والبحوث ويزأر لتمويل له أطروحة الدكتوراه. شكرا ج. س. بجامعة باريس-صكلي (كوت دالمبرت البرنامج) ويزأر لتمويل إقامته في يزار/تاليس.
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. |
References
- 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).
