Crescimento e eletrostático química/Propriedades de Metal/LaAlO3/SrTiO3 estende
Summary
Podemos fabricar metal/LaAlO3/SrTiO3 estende usando uma combinação de deposição do laser pulsado e em situ magnétron que sputtering. Através de magnetotransport e em situ x-ray Spectroscopy espectroscopia experiências, vamos investigar a interação entre fenômenos eletrostáticos e químicas do gás quase elétron bidimensional formado neste sistema.
Abstract
O sistema de elétrons 2D quase (q2DES) que se forma na interface entre LaAlO3 (LAO) e SrTiO3 (STO) tem atraído muita atenção da comunidade eletrônica de óxido. Uma de suas características de marca é a existência de uma espessura de LAO crítica da unidade 4-células (uc) para condutividade interfacial a emergir. Embora eletrostáticos mecanismos têm sido propostos no passado para descrever a existência desta espessura crítica, a importância da químicas defeitos recentemente acentuou. Aqui, descrevemos o crescimento do metal/LAO/STO estende em um ultra alto vácuo (UHV) sistema de cluster combinando depoimento do laser pulsado (para crescer o LAO), magnétron que sputtering (para crescer o metal) e espectroscopia de fotoelétron de raios x (XPS). Estudamos, passo a passo, a formação e evolução da q2DES e as interações químicas que ocorrem entre o metal e o LAO/STO. Além disso, experiências magnetotransport elucidar sobre o transporte e propriedades eletrônicas do q2DES. Este trabalho sistemático não só demonstra uma maneira de estudar a interação eletrostática e química entre o q2DES e seu ambiente, mas também abre a possibilidade de camadas tampando multifunctional do casal com a rica física observada em duas dimensões sistemas de elétrons, permitindo a fabricação de novos tipos de dispositivos.
Introduction
Sistemas de elétrons 2D quase (q2DES) têm sido usados extensivamente como um playground para estudar uma infinidade de baixo-dimensional e fenômenos quânticos. A partir do livro seminal no sistema LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO)1, uma explosão de diferentes sistemas que hospedam novas fases eletrônicas interfaciais foram criados. Combinar diferentes materiais levou à descoberta de q2DESs com propriedades adicionais, tais como rotação ajustável elétrico-campo de polarização2, extremamente alta elétron mobilidades3 ou fenômenos acoplados Ferroeletricidade4. Embora uma imensa massa de trabalho tem sido dedicada para desvendar a criação e a manipulação destes sistemas, vários experimentos e técnicas têm mostrado resultados contraditórios, mesmo em condições bastante similares. Além disso, o equilíbrio entre as interações eletrostáticas e químicas foi encontrado para ser essencial para compreender corretamente que a física no jogo5,6,7.
Neste artigo, completamente descrevemos o crescimento dos diferentes metais/LAO/STO estende, usando uma combinação de deposição do laser pulsado (PLD) e em situ magnétron que sputtering. Então, para entender o efeito de diferentes condições de superfície no q2DES enterrado na interface LAO/STO, um estudo eletrônico e químico é executado, usando experimentos de espectroscopia dos transportes e do elétron.
Uma vez que vários métodos têm sido utilizados anteriormente para crescer LAO cristalina em STO, a escolha das técnicas de deposição adequada é um passo crucial para a fabricação de alta qualidade estende de óxido (além de tempo e custo possível restringe). No PLD, um pulso curto e intenso do laser atinge o alvo do material desejado, que é então retirado e fica depositado no substrato como uma película fina. Uma das principais vantagens desta técnica é a capacidade de transferir confiantemente a estequiometria do alvo para o filme, um elemento-chave para alcançar a formação de fase desejada. Além disso, a capacidade de executar camada por camada de crescimento (monitorado em tempo real usando a difração de elétrons de alta energia de reflexão – RHEED) de um vasto número de óxidos complexos, a possibilidade de ter vários destinos no interior da câmara com o mesmo tempo ( permitindo o crescimento de diferentes materiais sem quebrar a vácuo) e a simplicidade da instalação fazer esta técnica uma das mais eficaz e versátil.
No entanto, outras técnicas tais como Epitaxia de feixe molecular (MBE) permitam o crescimento de crescimento epitaxial de qualidade ainda maior. Em vez de ter um alvo de um material específico, em MBE cada elemento específico é sublimado em direção ao substrato, onde eles reagem com os outros para formar camadas atômicas bem definidas. Além disso, a ausência de espécies altamente energéticos e distribuição mais uniforme de energia permite a fabricação de interfaces extremamente afiada8. Esta técnica é, no entanto, muito mais complexo do que o PLD quando se trata para o crescimento de óxidos, desde que deve ser executada em ultra alto vácuo condições (de modo que a muito tempo quer dizer caminho livre não é destruído) e em geral requer um investimento maior, custo – e tempos. Embora o processo de crescimento usado nas publicações LAO/STO primeiras PLD, amostras com características semelhantes foram cresceram por MBE9. É também interessante notar que LAO/STO estende têm sido cultivadas usando sputtering10. Apesar de interfaces atomicamente afiados foram alcançados em altas temperaturas (920 ° C) e pressões de oxigênio elevado (0,8 mbar), condutividade interfacial não foi alcançada.
Para o crescimento dos tampando camadas de metal, usamos magnetron sputtering, pois proporciona um bom equilíbrio entre qualidade e flexibilidade. Outras técnicas de baseado de deposição de vapor químico, no entanto podem ser usada para obter resultados semelhantes.
Por último, a combinação das técnicas de transporte e espectroscopia mostrou neste artigo exemplifica uma forma sistemática de interações eletrônicas e químicas, enfatizando a importância da análise comparativa dos diferentes abordagens para compreender inteiramente de sondagem muitas características desses tipos de sistemas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante o encerramento do substrato, um deve ser extremamente cuidadoso com o navio tempo na solução de HF. Observamos sob – e over – etched superfícies por variados apenas 5 s no que se refere a receita original. Além disso, observou-se uma dependência entre o tamanho do passo de substrato e submergindo a tempo. Para tamanhos menores de passo (menos de 100 nm) submergindo 30 s pode levar ao excesso de gravura, mesmo que depois o processo de recozimento pode ser suficiente para reconstruir corretamente a superfície…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho recebeu apoio da ERC consolidador Grant #615759 “MINT”, região de Île-de-France DIM “Oxymore” (projeto “NEIMO”) e o projeto ANR “NOMILOPS”. H.N. foi parcialmente apoiado pelo programa Core-to-Core EPSRC-JSPS, JSPS subsídio para pesquisa científica (B) (#15 H 03548). A.S. foi apoiado pela Deutsche Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1; postdoctoral fellowship para A.S.). D.C.V. obrigado Ministério francês do ensino superior e pesquisa e CNRS para financiamento da sua tese de doutorado. J.S. graças a Universidade Paris-Saclay (programa D’Alembert) e CNRS para financiar sua estadia no 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. |
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