Vækst og elektrostatisk/kemiske egenskaber af Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures
Summary
Vi fabrikere metal/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures ved hjælp af en kombination af pulserende laser deposition og i situ magnetron sputtering. Gennem magnetotransport og i situ X-ray photoelectron spektroskopi eksperimenter undersøger vi samspillet mellem elektrostatiske og kemiske fænomener af kvasi todimensionale elektron gas dannet i dette system.
Abstract
Kvasi 2D elektron system (q2DES), der danner på grænsefladen mellem LaAlO3 (LAO) og SrTiO3 (STO) har tiltrukket stor opmærksomhed fra Fællesskabets oxid elektronik. En af dens hallmark egenskaber er eksistensen af en kritisk LAO tykkelse 4 unit-celler (uc) for interfacial ledningsevne at dukke op. Selv elektrostatiske mekanismer er blevet foreslået i fortiden for at beskrive forekomsten af denne kritiske tykkelse, har betydningen af kemiske defekter været for nylig forstærkes. Her, beskriver vi væksten af LAO-metal-STO heterostructures i en ultra-højt vacuum (UHV) klyngesystem kombinerer pulserende laser deposition (at dyrke LAO), magnetron sputtering (for at vokse i metal) og X-ray photoelectron spektroskopi (XPS). Vi studere trin for trin dannelse og udvikling af q2DES og de kemiske samspil, der opstår mellem metal og LAO/STO. Derudover belyse magnetotransport eksperimenter på transport og elektroniske egenskaber af q2DES. Denne systematiske arbejde ikke kun viser en måde at studere den elektrostatiske og kemiske samspillet mellem q2DES og sine omgivelser, men også låser muligheden for at par multifunktionelle takstlofter lag med rige fysik observeret i to-dimensionelle elektron systemer, tillade fremstilling af nye typer af enheder.
Introduction
Kvasi 2D elektron systemer (q2DES) har været flittigt brugt som legeplads for at studere et væld af lavdimensional og kvantum fænomener. Startende fra den skelsættende papir på LaAlO3/SrTiO3 system (LAO/STO)1, en byge af forskellige systemer, som vært for nye interfacial elektroniske faser er blevet oprettet. Kombinere forskellige materialer førte til opdagelsen af q2DESs med yderligere egenskaber, såsom elektriske-felt afstemmelige spin polarisering2, ekstremt høje elektron mobiliteter3 eller ferroelectricity-kombineret fænomener4. Selv om en enorm krop arbejde har været dedikeret til at optrævle oprettelse og manipulation af disse systemer, har flere eksperimenter og teknikker vist modstridende resultater, selv under lignende forhold. Derudover blev balance mellem elektrostatiske og kemiske interaktioner anset for at være vigtigt at korrekt forstå fysik på spille5,6,7.
I denne artikel, vi grundigt beskriver væksten af forskellige LAO-metal-STO heterostructures, ved hjælp af en kombination af pulserende laser deposition (PLD) og i situ magnetron sputtering. Derefter, for at forstå virkningen af forskellige overflade betingelser i den begravet q2DES på grænsefladen LAO/STO, en elektronisk og kemisk undersøgelse udføres, ved hjælp af transport og elektron spektroskopi eksperimenter.
Da flere metoder har tidligere været brugt at vokse krystallinsk LAO på STO, valget af passende deposition teknikker er et afgørende skridt for fabrikation af høj kvalitet oxide heterostructures (ud over mulige omkostninger og tid begrænser). I PLD hits en intens og kort laser puls målet for det ønskede materiale, som er derefter ablated og bliver deponeret på substrat som en tynd film. En af de store fordele ved denne teknik er evnen til at pålideligt overføre støkiometrisk af målet til film, et centralt element for at opnå den ønskede fase dannelse. Desuden mulighed for at udføre lag på lag vækst (overvåges i realtid ved hjælp af refleksion højenergi elektron diffraktion – RHEED) af en lang række komplekse oxider, mulighed for at få flere mål inde i salen på samme tid ( gør det muligt vækst af forskellige materialer uden at bryde vakuum) og enkelhed af opsætningen gør denne teknik, en af de mest effektive og alsidige.
Endnu, tillade andre teknikker som Molekylær stråle epitaxy (MBE) væksten af endnu højere kvalitet epitaxial vækst. I stedet for at have et mål for et bestemt materiale, i MBE er hvert specifikt element sublimeret mod underlaget, hvor de reagerer med hinanden til at danne veldefinerede atomare lag. Derudover har manglen på meget energiske arter og mere ensartet energidistribution tillader fabrikation af ekstremt skarpe grænseflader8. Denne teknik er imidlertid langt mere kompleks end PLD når det kommer til vækst af nitrogenoxider, da det skal udføres i ultra-høje vakuum betingelser (således at langt mener omkostningsfrit bane ikke er ødelagt) og kræver generelt en større investering, pris – og tidsmæssigt. Selv om den vækstproces, der anvendes i de første LAO/STO publikationer var PLD, er prøver med ensartede egenskaber blevet dyrket af MBE9. Det er også værd at bemærke, at LAO/STO heterostructures er dyrket ved hjælp af spruttende10. Selv om atomically skarpe grænseflader blev opnået ved høje temperaturer (920 ° C) og høj ilt pres (0,8 mbar), blev interfacial ledningsevne ikke opnået.
Til vækst af metallisk udjævningen lag, bruger vi magnetron sputtering, da det giver en god balance mellem kvalitet og fleksibilitet. Andre kemiske dampe deposition baseret teknikker kan dog bruges til at opnå lignende resultater.
Endelig, kombinationen af transport og spektroskopi teknikker viste i denne artikel er et eksempel på en systematisk måde af probing både elektroniske og kemiske interaktioner, understreger betydningen af krydschecke forskellige tilgange til fuldt ud at forstå de mange funktioner i disse typer af systemer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Under substrat opsigelse, bør man være meget omhyggelig med den submerging tid i HF løsning. Vi observeret under – og over – etched overflader af varierende bare 5 s til den oprindelige opskrift. Derudover observeret vi en afhængighed mellem substrat trin størrelse og sænkes ned i tid. For mindre step størrelser (mindre end 100 nm) nedsænkning 30 s kan føre til overdreven ætsning, selv om bagefter de optimerende procedure kan være tilstrækkelig til korrekt rekonstruere overfladen. På grund af risiciene ved a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde modtaget støtte fra ERC samlegodsspeditøren Grant #615759 “MINT”, regionen Île-de-France DIM “Oxymore” (projekt “NEIMO”) og ANR projekt “NOMILOPS”. H.N. blev delvist støttet af EPSRC-JSP’ER Core til Core Program, JSP’ER licensbetaling for videnskabelig forskning (B) (#15 H 03548). A.S. blev støttet af Deutsche Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1, postdoc stipendium til A.S.). D.C.V. tak det franske ministerium for højere uddannelse og forskning og CNRS for finansiering af hans ph.d.-afhandling. J.S. tak University Paris-Saclay (D’Alembert program) og CNRS til finansiering af hans ophold på 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).
