Vekst og elektrostatiske/kjemiske egenskaper av metall/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures
Summary
Vi dikte metal/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures med en kombinasjon av pulsed laser avsettelse og i situ magnetron sputtering. Gjennom magnetotransport og i situ X-ray photoelectron spektroskopi eksperimenter undersøker vi samspillet mellom elektrostatisk og kjemiske fenomener kvasi todimensjonal elektron gassen i systemet.
Abstract
Kvasi 2D elektron systemet (q2DES) som danner på grensesnittet mellom LaAlO3 (LAO) og SrTiO3 (STO) har tiltrukket seg mye oppmerksomhet fra oksid elektronikk samfunnet. En av egenskapene kjennetegn er eksistensen av kritiske LAO tykkelse på 4 enhet-celler (uc) for interfacial ledeevne å dukke. Selv om elektrostatisk mekanismer har vært foreslått tidligere å beskrive eksistensen av denne kritiske tykkelse, har viktigheten av kjemiske defekter nylig fremhevet. Her beskriver vi veksten av metall/LAO/STO heterostructures i en ultra-høy vakuum (UHV) klyngesystem kombinerer pulsed laser avsetning (å vokse LAO), magnetron sputtering (å vokse metall) og X-ray photoelectron spektroskopi (XPS). Vi studerer trinnvis dannelsen og utviklingen av q2DES og kjemiske interaksjoner som oppstår mellom metall og den LAO/STO. I tillegg belyse magnetotransport eksperimenter transport-og elektronisk egenskapene til q2DES. Denne systematisk arbeid ikke bare viser en måte å studere elektrostatisk og kjemiske samspillet mellom q2DES og dets miljø, men også låser muligheten til par multifunksjonelle lokkpåsettingsmaskiner lag med rik fysikken i todimensjonale elektron systemer, slik at fabrikasjon av nye enheter.
Introduction
Kvasi 2D elektron systemer (q2DES) har vært mye brukt som en lekeplass for å studere en rekke lav-dimensjonale og quantum fenomener. Starter fra banebrytende papiret på LaAlO3/SrTiO3 system (LAO/STO)1, et utbrudd av forskjellige systemer som vert nye interfacial elektronisk faser er opprettet. Kombinere forskjellige materialer førte til oppdagelsen av q2DESs med tilleggsegenskaper, som elektrisk felt tunable spinn polarisering2, ekstremt høy elektron mobilities3 eller ferroelectricity-kombinert fenomener4. Selv om en enorm kropp av arbeidet er dedikert til å løse etablering og manipulering av disse systemene, har flere eksperimenter og teknikker vist motstridende resultater, selv i ganske likt. I tillegg ble balansen mellom elektrostatisk og kjemiske interaksjoner funnet for å være viktig å riktig forstå fysikk på spille5,6,7.
I denne artikkelen vi grundig beskriver veksten av ulike metall/LAO/STO heterostructures, bruke en kombinasjon av pulsed laser avsetning (PLD) og i situ magnetron sputtering. Så, for å forstå effekten av ulike overflaten forholdene i den skjulte q2DES på LAO/STO grensesnittet, en elektronisk og kjemiske studie utføres, med transport og elektron spektroskopi eksperimenter.
Siden flere metoder har tidligere blitt brukt til å vokse krystallinsk LAO på STO, valg av riktige deponering teknikker er et viktig skritt for fabrikasjon av høy kvalitet og heterostructures (i tillegg til mulig kostnad og tid begrensninger). I PLD treffer en intens og kort laser puls målet for ønsket materialet, som er så ablated og blir avsatt på underlaget som en tynn film. En av de store fordelene med denne teknikken er muligheten til å overføre pålitelig støkiometri av målet til filmen, et sentralt element for å oppnå ønsket fase dannelsen. Videre evnen til å utføre lag-på-lag vekst (overvåking i sanntid med refleksjon strømkrevende elektron Diffraksjon – RHEED) av et stort antall komplekse karbonoksider, muligheten for å ha flere mål inne i kammeret på samme tid ( tillater veksten av ulike materialer uten å bryte vakuum) og enkelheten av denne teknikken en av de mest effektive og allsidige.
Likevel, andre teknikker som molekylær strålen epitaxy (MBE) tillater veksten av enda høyere kvalitet epitaxial vekst. I stedet for et mål av et bestemt materiale, i MBE er hver bestemt element sublimed mot underlaget, hvor de reagerer med hverandre for å danne veldefinert atomic lag. I tillegg lar fravær av svært energiske arter og mer ensartet energi distribusjon fabrikasjon av svært skarpe grensesnitt8. Denne teknikken er imidlertid mye mer kompleks enn PLD når det kommer til vekst av oksider, siden det må utføres i ultrahøy vakuum forhold (slik at langt mener gratis banen ikke er ødelagt) og krever vanligvis en større investering, pris – og time-wise. Selv om vekstprosessen brukes i første LAO/STO publikasjonene var PLD, har prøver med lignende egenskaper blitt dyrket av MBE9. Det er også verdt å merke seg at LAO/STO heterostructures har vokst bruker sputtering10. Selv om atomically skarpe grensesnitt ble oppnådd ved høye temperaturer (920 ° C) og høy oksygen Press (0,8 mbar), var interfacial ledningsevne ikke oppnådd.
Veksten av metallisk capping lag, bruker vi magnetron sputtering, da det gir en god balanse mellom kvalitet og fleksibilitet. Andre kjemiske damp deponering basert teknikker kan imidlertid bli brukt for å oppnå lignende resultater.
Til slutt, kombinasjonen av transport og spektroskopi teknikker viste i denne artikkelen illustrerer systematisk av verifiserer både elektronisk og kjemiske interaksjoner, understreker viktigheten av crosschecking måter å forstå de mange funksjonene i disse typer systemer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Under substrat oppsigelse, bør man være ekstremt forsiktig med submerging tid i HF løsning. Vi observerte under – og over – etched overflater av varierende bare 5 s med hensyn til den opprinnelige oppskriften. I tillegg, observerte vi en avhengighet mellom substrat steg størrelse og submerging tid. For mindre trinn størrelser (mindre enn 100 nm) submerging 30 s kan føre til over etsing, selv om etterpå annealing prosedyren kan være tilstrekkelig til å rekonstruere riktig overflaten. På grunn av risikoen ved å …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet fikk støtte fra ERC Consolidator Grant #615759 “MINT”, i regionen Île-de-France DIM “Oxymore” (prosjekt “NEIMO”) og ANR prosjektet “NOMILOPS”. H.N. ble delvis støttet av EPSRC-JSP Core-til-Core programmet, JSP Grant-in-Aid for vitenskapelig forskning (B) (#15 H 03548). A.S. ble støttet av Deutsche Forschungsgemeinschaft (HO 53461-1, postdoktorstipend til AS). D.C.V. takk franske departementet for høyere utdanning og forskning og CNRS for finansiering av tese PhD. JS Takk University Paris-Saclay (D’Alembert program) og CNRS for finansiering for 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).
