Groei en elektrostatische fysico-chemische eigenschappen van metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren
Summary
Wij fabriceren metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren met behulp van een combinatie van gepulste laser afzetting en in situ magnetron sputteren. Door magnetotransport en in situ X-ray photoelectron spectroscopie experimenten onderzoeken we de wisselwerking tussen elektrostatische en chemische fenomenen van het quasi tweedimensionaal electron gas gevormd in dit systeem.
Abstract
Het quasi 2D elektron-systeem (q2DES) vormt op het raakvlak tussen LaAlO3 (LAO) en SrTiO3 (STO) heeft aangetrokken veel aandacht van de oxide elektronica Gemeenschap. Een van de kenmerken van hallmark is het bestaan van een kritische LAO dikte van 4 eenheid-cellen (uc) voor Interfaciale geleidbaarheid te ontstaan. Hoewel elektrostatische mechanismen zijn voorgesteld in het verleden om te beschrijven van het bestaan van deze kritische dikte, heeft het belang van chemische gebreken onlangs is geaccentueerd. Hier beschrijven we de groei van metaal/LAO/STO Heterostructuren in een ultra-hoge (UHV) cluster vacuümsysteem combinatie van gepulste laser deposition (te groeien de LAO), magnetron sputteren (om te groeien van het metaal) en X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Stap voor stap bestuderen we de vorming en evolutie van de q2DES en de chemische interacties die plaatsvinden tussen het metaal en de LAO/STO. Bovendien toelichten magnetotransport experimenten inzake het vervoer en de elektronische eigenschappen van de q2DES. Dit systematische werk niet alleen een manier om te studeren het elektrostatische en chemische samenspel tussen de q2DES en zijn omgeving toont, maar opent ook de mogelijkheid aan paar multifunctionele overkoepelende lagen met de rijke fysica waargenomen in tweedimensionale elektron systemen, waardoor de fabricage van nieuwe soorten apparaten.
Introduction
Quasi 2D elektron systemen (q2DES) zijn uitvoerig gebruikt als een speeltuin te bestuderen van een veelheid van laag-dimensionale en quantum verschijnselen. Vanaf de rudimentaire papier op het LaAlO3/SrTiO3 -systeem (LAO/STO)1, een uitbarsting van verschillende systemen die als host voor nieuwe Interfaciale elektronische fasen zijn gemaakt. Het combineren van verschillende materialen leidde tot de ontdekking van q2DESs met extra eigenschappen, zoals elektrische-veld afstembare spin polarisatie2, extreem hoge elektron mobiliteiten3 of ferroelectricity-coupled verschijnselen4. Hoewel een enorme hoeveelheid werk is gewijd om te ontrafelen van de oprichting en de manipulatie van deze systemen, hebben verschillende experimenten en technieken aangetoond tegenstrijdige resultaten, zelfs eerder vergelijkbare omstandigheden. Daarnaast is het evenwicht tussen elektrostatische en chemische interacties bleek te zijn essentieel om te correct begrijpen dat de fysica op spelen5,6,7.
In dit artikel grondig beschrijven we de groei van verschillende metaal/LAO/STO Heterostructuren, met behulp van een combinatie van gepulste laser deposition (PLD) en in situ magnetron sputteren. Vervolgens, om het effect van verschillende oppervlakte omstandigheden in de begraven q2DES op het grensvlak van LAO/STO te begrijpen, een elektronische en chemische studie wordt uitgevoerd, met behulp van vervoer en elektron-spectroscopie experimenten.
Aangezien meerdere methoden eerder gebruikt zijn om kristallijne LAO op STO groeien, de keuze van de juiste afzetting technieken is een cruciale stap voor de fabrikatie van hoge kwaliteit oxide Heterostructuren (naast de mogelijke kosten en tijd beperkt). In PLD hits een intense en korte laser impuls de doelgroep van het gewenste materiaal, dat is dan ablated worden en krijgt gestort op het substraat als een dunne film. Een van de grote voordelen van deze techniek is de mogelijkheid om betrouwbaar de stoichiometrie van het doel naar de film, een sleutelelement met het oog op de vorming van de gewenste fase. Bovendien, het vermogen van de groei van de laag-voor-laag (bewaakt in real time via reflectie high-energy elektronendiffractie – RHEED) uitvoeren van een groot aantal complexe stikstofoxiden, de mogelijkheid van het hebben van meerdere doelen binnen de kamer op de dezelfde tijd ( waardoor de groei van verschillende materialen zonder verbreking van de vacuüm) en de eenvoud van de installatie maken deze techniek een van de meest effectieve en veelzijdig.
Andere technieken zoals moleculaire straal epitaxie (MBE) kunnen echter de groei van nog hogere kwaliteit epitaxiale groei. In plaats van een doel van een specifiek materiaal, in MBE is elk specifiek element gesublimeerde richting het substraat, waar zij reageren met elkaar om te vormen van welomschreven atomaire lagen. Bovendien, kunt het gebrek aan zeer energieke soorten en meer uniforme energiedistributie de fabricage van uiterst scherp interfaces8. Deze techniek is echter veel complexer dan PLD als het gaat om de groei van stikstofoxiden, omdat het moet worden uitgevoerd in de ultra-hoge vacuüm voorwaarden (zodat de lange bedoel gratis pad is niet vernietigd) en in het algemeen vereist een grotere investering, kosten – en tijd-wijs. Hoewel het groeiproces in de eerste publicatie van de LAO/STO gebruikt PLD was, zijn monsters met soortgelijke kenmerken geteeld door MBE9. Het is ook vermeldenswaard dat LAO/STO Heterostructuren met behulp van sputteren10zijn geteeld. Hoewel beide scherpe interfaces werden bereikt bij hoge temperaturen (920 ° C) en hoge zuurstof druk (0.8 mbar), werd Interfaciale geleidbaarheid niet bereikt.
We gebruiken voor de groei van de metalen aftopping lagen, magnetron sputteren, want het biedt een goede balans tussen kwaliteit en flexibiliteit. Andere chemische damp depositie gebaseerd technieken kunnen echter worden gebruikt om gelijkaardige resultaten te bereiken.
Tot slot is de combinatie van vervoer en spectroscopie technieken bleek in dit artikel een voorbeeld van een systematische wijze van het sonderen van zowel elektronische en chemische interacties, wijzend op het belang van validatieregeling verschillende benaderingen om volledig te begrijpen de vele functies van deze types van systemen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tijdens de afsluiting van het substraat, moet men zeer voorzichtig met de onderdompeling keer in HF-oplossing. We waargenomen onder – en over – etched oppervlakken door verschillende slechts 5 s met betrekking tot het oorspronkelijke recept. Daarnaast zien we een afhankelijkheid tussen substraat stap-grootte en dompelen van tijd. Voor kleinere stap (minder dan 100 nm) dompelen 30 s zou kunnen leiden tot overmatige etsen, hoewel achteraf de onthardende procedure mogelijk voldoende aan het oppervlak correct te reconstruere…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk kreeg steun van de ERC Consolidator Grant #615759 “MINT”, de regio Île-de-France DIM “Oxymore” (project “NEIMO”) en de ANR-project “NOMILOPS”. H.N. werd gedeeltelijk ondersteund door de EPSRC-JSPS Core-naar-Core Program, JSPS Grant-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek (B) (#15 H 03548). A.S. werd gesteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1; postdoctoral fellowship aan A.S.). Het Franse Ministerie van hoger onderwijs, onderzoek en CNRS Bedankt D.C.V. voor de financiering van zijn proefschrift. J.S. bedankt de Universiteit Parijs-Saclay (D’Alembert programma) en de CNRS voor de financiering van zijn verblijf in het 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. |
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).
