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.
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.
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.
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 …
The authors have nothing to disclose.
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.
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. |