Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

الفوقي نمو Perovskite سترونتيوم تيتانات على الجرمانيوم عن طريق ترسب طبقة الذري

Published: July 26, 2016 doi: 10.3791/54268
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1McKetta Department of Chemical Engineering, The University of Texas at Austin

Summary

تفاصيل هذا العمل إجراءات لنمو وتوصيف البلورية SrTiO 3 مباشرة على ركائز الجرمانيوم التي ترسب طبقة الذري. يوضح الإجراء قدرة على طريقة نمو كل كيميائية لدمج أكاسيد كتلة واحدة على أشباه الموصلات لأجهزة أشباه الموصلات أكسيد المعادن.

Introduction

أصبحت المواد Perovskite جذابة على نحو متزايد بسبب بنيتها متماثل للغاية مكعب أو pseudocubic وعدد لا يحصى من خصائص. هذه المواد، مع صيغة العام ABO 3، تتكون من ذرات بالتنسيق مع 12 ذرات الأكسجين وذرات B بالتنسيق مع ست ذرات الأكسجين. ونظرا لهيكلها البسيط، ولكن مجموعة واسعة من العناصر المحتملة، وتوفر المواد perovskite المرشحين المثالي لأجهزة heterostructure. heterostructures أكسيد الفوقي تباهى المغناطيسية، 1-3 المضادة / متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، 4 multiferroic، 5-8 فائقة التوصيل، 7 - 12 وظائف magnetoresistive 13،14 العديد من هذه الخصائص الإلكترونية المرغوبة هي بينية وبالتالي تعتمد على، والتحولات المفاجئة نظيفة بين المواد. هيكل وشعرية ثوابت متطابقة تقريبا مشتركة بين أفراد من عائلة perovskite تسمح ل الممتازمطابقة attice، وبالتالي، واجهات ذات جودة عالية. بسهولة شعرية تتناسب مع بعضها البعض وكذلك بعض أشباه الموصلات، يجري الآن تحولت أكاسيد perovskite لفي الجيل القادم معدن أكسيد أشباه الموصلات والالكترونيات.

التكامل متجانسة من أكاسيد البلورية مع السيليكون، أثبتت لأول مرة مع تيتانات السترونتيوم perovskite، SrTiO 3 (STO)، عن طريق ماكي والزملاء، وكان 15 خطوة هائلة نحو تحقيق الأجهزة الإلكترونية مع إدراج perovskite أشباه الموصلات. الشعاع الجزيئي تنضيد (مبي) هو الأسلوب الرئيسي للنمو الفوقي أكاسيد على السيليكون بسبب نمو طبقة تلو طبقة فضلا عن الأكسجين الانضباطي الضغط الجزئي من الضروري السيطرة غير متبلور، بينية شافي 2 تشكيل 16 - 19 نمو مبي نموذجي من STO على سي (001) يتحقق من خلال إزالة الأكسدة SR-بمساعدة من شافي 2. تحت فائقة فراغ الشروط (الفائق)، SRO متقلبة ودونject التبخر الحراري. منذ يفضل SRO الديناميكا الحرارية أكثر من المعادن السترونتيوم وشافي 2، ترسب الأب يقتات الأكسجين من طبقة شافي 2 وSRO الناتجة يتبخر من سطح الأرض. وخلال هذه العملية سطح السيليكون يواجه إعادة الإعمار 2 × 1 على السطح الذي يشكل صفوف من ذرات السيليكون dimerized. ملائم، ½ أحادي الطبقة (ML) تغطية ذرات المقرر الخاص المعني سطح بناؤها تملأ الفجوات التي أنشأتها هذه الصفوف ديمر، وتوفر 20 تغطية نصف ML طبقة واقية التي، مع مراقبة دقيقة للضغط الأكسجين، ويمكن منع أو السيطرة وجيهي شافي 2 تشكيل أثناء نمو أكسيد احقا 21 - 23 في حالة STO (وperovskites مع مباراة شعرية مماثلة)، يتم تدوير شعرية الناتج 45 درجة في الطائرة بحيث (001) STO ‖ (001) سي و (100) STO ‖ (110) سي، مما يتيح التسجيل بين سي (3.84بعد Å سي سي) وSTO (أ = 3.905 Å) مع سلالة الضغط فقط طفيف على STO. هذا التسجيل ضروري للواجهات ذات جودة عالية والخصائص المطلوبة لديهم.

أصبح السيليكون كبير صناعيا نظرا لنوعية عالية من أكسيد لها بينية، ولكن شافي 2 استخدام يتم التخلص التدريجي للمواد قادرة على أداء ما يعادلها في أحجام ميزة أصغر. شافي 2 خبرات عالية تسرب التيارات عندما رقيقة جدا، وهذا يقلل من أداء الجهاز. يمكن تلبية الطلب على أحجام معالم أصغر من الأفلام أكسيد perovskite مع الثوابت عازلة عالية، ك، التي توفر ما يعادل أداء لشافي 2 و هي أكثر سمكا ماديا من شافي 2 من /3.9 عامل ك. وعلاوة على ذلك، وأشباه الموصلات بديلة، مثل الجرمانيوم، توفر إمكانية تشغيل جهاز أسرع بسبب ارتفاع إلكترون وثقب التنقلات من السيليكون. 24،25 الجرمانيوم له أيضا interfأكسيد acial، GEO 2، ولكن على النقيض من شافي 2، فمن غير مستقر وعرضة للإزالة الأكسدة الحرارية. وهكذا، 2 × 1 إعادة الإعمار يمكن تحقيقه عن طريق الصلب الحرارية بسيط تحت الفائق، وطبقة واقية استرنشيوم غير ضروري لمنع نمو أكسيد بينية خلال ترسب perovskite 26

وعلى الرغم من سهولة واضحة للنمو التي تقدمها مبي، ترسيب الطبقة الذرية (محددة المدة) يوفر طريقة فعالة أكثر للتحجيم وتكلفة من مبي للإنتاج التجاري من المواد أكسيد. 27،28 محددة المدة توظف جرعة من السلائف الغازية إلى الركيزة التي الذاتي الحد في تفاعلها مع سطح الركيزة. لذلك، في عملية محددة المدة المثالية، وتودع طبقة الذرية يصل الى واحد لأي السلائف تعطى الجرعات دورة واستمرت الجرعات من نفس السلائف لن إيداع مواد إضافية على السطح. يتم استعادة وظائف التفاعلية مع زميل في المتفاعلة، غالبا ما تكون الأكسدة أو السلائف التخفيض (على سبيل المثالأو الماء أو النشادر). وقد أظهرت الأعمال السابقة للنمو محددة المدة من أفلام مختلفة perovskite، مثل التيتانيوم Anatase تيو 2، SrTiO 3، BaTiO 3، وLaAlO 3، على (001) سي التي كانت مخزنة مع أربعة حدة خلايا STO سميكة نمت عبر مبي 29 - 34 في نمو مبي بحتة أكاسيد البلورية، ½ تغطية أحادي الطبقة من الأب على سي نظيفة (001) ما يكفي لتوفير حاجز ضد شافي 2 تشكيل تحت ضغوط محلية لتقنية (~ 10 -7 تور). ومع ذلك، تحت ضغوط محددة المدة التشغيل النموذجي من ~ 1 عربة، وقد أظهرت الأعمال السابقة أن أربع خلايا وحدة من STO مطلوب لتجنب أكسدة السطح سي. 29

الإجراء الموضح هنا يستخدم عدم استقرار توقعات البيئة العالمية (2) ويحقق التكامل متجانسة من STO على الجرمانيوم عبر محددة المدة دون الحاجة إلى طبقة عازلة نمت مبي. 26 وعلاوة على ذلك، فإن المسافة قه قه interatomic (3.992 Å) بشأن: (100) يسمح سطح لتسجيل الفوقي مماثل مع STO الذي لوحظ مع سي (001). على الرغم من أن الإجراء المقدمة هنا هي محددة لSTO على قه، تعديلات طفيفة قد تسمح للتكامل متجانسة من مجموعة متنوعة من الأفلام perovskite على الجرمانيوم. في الواقع، تم الإبلاغ عن نمو محددة المدة المباشر البلورية SrHfO 3 و BaTiO 3 أفلام عن قه. وتشمل 35،36 احتمالات إضافية أكسيد البوابة المحتملين، SrZr س تي 1-س س 3. 37 وأخيرا، بناء على الدراسات السابقة للنمو perovskite محددة المدة على أربعة وحدة خلايا STO الفيلم على سي (001) 29 - 34 يشير إلى أن أي فيلم يمكن أن تزرع على STO منصة / سي يمكن أن تنمو على STO فيلم عازلة نمت محددة المدة على قه، مثل LaAlO 3 و LaCoO 3. 32،38 والعديد من الخصائص المتوفرة لheterostructures أكسيد والتشابه الملحوظ بين أكاسيد perovskite تشير إلى هذا الإجراء يمكن أن تستخدم رس الدراسة من قبل مجموعات النمو صعبا أو مستحيلا مع مثل هذه التقنية قابلة للتطبيق صناعيا.

الشكل 1 يصور التخطيطي للنظام فراغ، والذي يشمل محددة المدة، مبي، وغرف التحليلية متصلة بواسطة خط نقل 12 قدما. العينات يمكن نقلها في الخلاء بين كل من المجلسين. يتم الاحتفاظ ضغط الأساس من خط نقل في حوالي 1.0 × 10 -9 عربة من ثلاث مضخات أيون. ويحتفظ-حلها زاوية الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS) نظام تجاري لديه مضخة الأيونات مثل هذا الضغط في غرفة التحليلية يتم الاحتفاظ بحوالي 1.0 × 10 -9 عربة.

مفاعل محددة المدة هو مستطيلة الشكل مبنية خصيصا غرفة الفولاذ المقاوم للصدأ مع حجم 460 سم 3 وطول 20 سم. ويرد التخطيطي للمفاعل محددة المدة في الشكل 2. المفاعل هو جدار الساخن ومستمر عبر تدفق نوع المفاعل.عينات وضعها في مفاعل لها إزالة 1.7 سم بين السطح العلوي من الركيزة وسقف الغرفة و 1.9 سم بين الجزء السفلي من الركيزة والأرضية الغرفة. والشريط التدفئة، والمدعوم من التيار الكهربائي مخصصة، وملفوفة حول الغرفة من المدخل إلى ما يقرب من 2 سم إلى ما بعد منفذ العادم، ويوفر التحكم في درجة الحرارة من جدران المفاعل. وحدة تحكم في درجة الحرارة يضبط مدخلات الطاقة إلى الشريط التدفئة وفقا لقياس درجة الحرارة عن طريق بضع الحرارية الواقعة بين الشريط التدفئة والجدار الخارجي مفاعل اتخاذها. ثم يتم تغليف المفاعل تماما مع ثلاثة أشرطة تدفئة إضافية من القوة الثابتة التي يقدمها variac، وطبقة نهائية من الصوف الألياف الزجاجية مع رقائق الألومنيوم غطاء يوفر العزل لتعزيز التدفئة موحدة. يتم ضبط انتاج الطاقة من variac مثل أن درجة حرارة تسكع (عندما يتم تشغيل التيار الكهربائي مخصصة إيقاف) من المفاعل حوالي 175 درجة مئوية. المفاعل هو تقييم الأداءتبريد sively عبر الهواء المحيط. يتم احتساب درجة حرارة الركيزة باستخدام المعادلة الخطية مناسبا (1)، حيث T ق (° C) هو درجة حرارة الركيزة وT ج (° C) هي درجة الحرارة للجدار المفاعل، التي تم الحصول عليها عن طريق قياس مباشرة ركيزة مزودة الحرارية. يوجد الشخصي درجات الحرارة على طول اتجاه تدفق غرفة بسبب صمام بوابة البارد الذي يربط المفاعل إلى خط النقل؛ الملف الشخصى درجة الحرارة عمودي على اتجاه تدفق لا يكاد يذكر. الملف الشخصى درجة الحرارة يؤدي إلى ترسب الأب ثراء في طليعة من العينة، ولكن الاختلاف التكوين على طول عينة صغيرة (أقل من الفارق الزمني 5٪ بين الرئيسي وراء حواف العينة) وفقا لXPS 31 من العادم ل يتم توصيل المفاعل لمضخة turbomolecular ومضخة ميكانيكية. خلال عملية محددة المدة، يتم ضخ المفاعل بواسطة مضخة ميكانيكية للحفاظ على الضغط في حوالي 1 عربة. خلاف ذلك، وreactoيتم الحفاظ على ضغط ص أقل من 2.0 × 10 -6 عربة بواسطة مضخة turbomolecular.

(1) T ق = 0.977T ج + 3.4

يتم الحفاظ على غرفة مبي في ضغط خط الأساس من حوالي 2.0 × 10 -9 عربة أو أقل عن طريق مضخة المبردة. يتم مراقبة الضغط الجزئي من مختلف الأنواع في غرفة مبي التي كتبها محلل الغاز المتبقية. الضغط خلفية H 2 حوالي 1.0 × 10 -9 عربة، في حين أن من O 2، CO، N 2، CO 2 و H 2 O، هي أقل من 1.0 × 10 -10 عربة. وبالإضافة إلى ذلك، تم تجهيز غرفة مبي أيضا مع ست خلايا الانصباب، أربعة جيب شعاع الالكترون المبخر، مصدر النيتروجين البلازما الذري والاوكسجين مصدر البلازما الذري مع صمام عالية الدقة إجهادي تسرب، وانعكاس عالية الطاقة حيود الإلكترون (RHEED ) نظام الوقت الحقيقي في نمو وتبلور الملاحظات الموقع. وساميسمح مناور التنوير القائل أن تكون ساخنة الركيزة تصل إلى 1000 درجة مئوية باستخدام سخان كربيد السيليكون المقاوم للأكسجين.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد الأب وتي السلائف لتجارب محددة المدة

  1. تحميل نظيفة، الساتوراتور الجافة والسلائف جديدة في غرفة انتظار في علبة القفازات. اتبع الإجراء تحميل علبة القفازات لضمان تطهير المناسب للهواء والرطوبة. نقل المواد إلى القاعة الرئيسية.
    ملاحظة: تستخدم هذه المجموعة الساتوراتور في منزل بنيت (انظر الشكل 3) مع عناصر التي تم شراؤها تجاريا. تفاصيل الجمعية مرطبات يمكن العثور عليها في قائمة الكواشف محددة والمعدات.
  2. تخزين السلائف السترونتيوم (السترونتيوم مكرر (triisopropylcyclopentadienyl) [الأب (ط العلاقات العامة 3 اف ب) 2]) والسلائف التيتانيوم (التيتانيوم tetraisopropoxide [تي (O- ط العلاقات العامة) 4]، TTIP) في بيئة خاملة (على سبيل المثال، علبة القفازات ) بعد فتح العبوة الأصلية المقدمة من قبل الشركة المصنعة.
    ملاحظة: تستخدم هذه المجموعة صندوق قفازات مع مستوى الرطوبة لا زreater من 5 جزء في المليون.
  3. تحميل مقدمة في مرطبات مثل أن السلائف تحتل حوالي 2/3 من الجزء الزجاجي للمرطبات (حوالي 5 غ).
  4. إعادة تجميع الساتوراتور وضمان تسرب جيد يتحقق ختم ضيق.
    ملاحظة: تستخدم هذه المجموعة طوقا التركيبات المعدنية وجه ختم لتحقيق تسرب الأختام ضيقة.
  5. تفريغ الساتوراتور شغله من علبة القفازات وتوصيل ملحقات نظم لشغل متعددة محددة المدة.
    ملاحظة: السلائف تحميلها ويمكن استخدامها عدة مرات على مدى فترة ممتدة. يتطلب السلائف في نظام هذه المجموعة عموما إعادة تعبئة كل ستة أشهر لأنها تصبح المستهلكة. الأب (ط العلاقات العامة 3 اف ب) 2 هو السائل البني في كل RT ودرجة حرارة التشغيل لهذه الدراسة (130-140 درجة مئوية). TTIP هو السائل واضح. عندما تتدهور TTIP، عادة بسبب الرطوبة و / أو تلوث الجو، والسلائف تتحول إلى مادة صلبة بيضاء. لم يكن هناك أي فيزيمؤشر بلي من تدهور تمهيدا لالأب (ط العلاقات العامة 3 اف ب) 2 لوحظ من قبل هذه المجموعة. تم الكشف عن تدهور السلائف ريال عموما انخفاضا كبيرا (أكثر من 10٪) من المحتوى الأب في نمو محددة المدة للتكرار أن يستخدم الأب (ط العلاقات العامة 3 اف ب) 2.

2. تنظيف قه (001) الركيزة

  1. وضع قه (001) الركيزة (18 ملم × 20 ملم)، والجانب المصقول تواجه صعودا، في كوب صغير (25-50 مل). ملء كوب إلى حوالي 1 سم ارتفاع مع الأسيتون. ضع الدورق في حمام sonicator ويصوتن لمدة 10 دقيقة.
    ملاحظة: تستخدم هذه المجموعة مصقول 4 في قه الرقائق أحادية الجانب، مقطعة إلى 18 × 20 مم 2 قطعة باستخدام منشار تقطيع. استخدام مخدر بشدة من نوع ن قه إذا كانت هناك حاجة مقاييس الكهربائية من فيلم (تستخدم هذه الدراسة مخدر SB-رقائق قه مع ρ ≈ 0.04 Ω سم)، على خلاف جميع أنواع مستوى تعاطي المنشطات وإشابة مقبولة.
  2. صب الغالبية العظمى من الأسيتون في حاوية النفايات، مع الحرص على عدم سكب أو الوجه الركيزة قه. شطف جدران الكأس مع ايزوبروبيل (IPA) وملء ما يقرب من 1 سم ارتفاع. صب غالبية IPA في حاوية النفايات، إعادة ملء كوب إلى 1 سم مع IPA، ويصوتن لمدة 10 دقيقة أخرى.
  3. كرر الخطوة 2.2، ولكن استبدال IPA مع الماء منزوع الأيونات.
  4. إزالة الركيزة من الدورق مع ملاقط. يجف الركيزة بمسدس النيتروجين أو غيرها الجاف تدفق غاز خامل.
  5. وضع الركيزة في نظافة الأشعة فوق البنفسجية للأوزون وتشغيل ونظافة لمدة 30 دقيقة.
  6. بعد التنظيف الأشعة فوق البنفسجية للأوزون، تحميل فورا الركيزة في النظام فراغ.

3. تحميل قه الركيزة

  1. نقل نقل عينة الخط الناقل عربة في قفل الحمل. إغلاق بوابة صمام عزل قفل الحمل.
  2. إيقاف تحميل قفل مضخة turbomolecular وفتح خط النيتروجين للتنفيس القفل تحميل. كاملالخطوة 3.3 في انتظار قفل تحميل لتنفيس تماما.
  3. وضع الركيزة، والجانب المصقول لأسفل، إلى 20 ملم × 20 ملم صاحب العينة.
    ملاحظة: يتم تنفيذ كافة ترسبات مع تواجه العينة نحو الانخفاض. ضمان الركيزة الاحمرار مع الجزء السفلي من حامل. خلاف ذلك التجارب RHEED قد تواجه صعوبة والأفلام قد لا تودع بشكل موحد. ويرد صاحب العينة تستخدم هذه المجموعة في الشكل (4).
  4. فتح القفل الحمل بعد أن تنفيس تماما. وضع صاحب العينة إلى عربة حاملة مركز مفتوح عن طريق مواءمة علامات التبويب من صاحب العينة مع قنوات العربة موقف فتح وخفض في مكانه.
  5. إغلاق قفل تحميل وتشغيل مضخة turbomolecular تحميل القفل. إغلاق خط النيتروجين.
  6. الانتظار حتى الضغط في القفل الحمل هو حوالي 5.0 × 10 -7 عربة قبل فتح صمام تحميل قفل البوابة وتتحرك العربة من خلال خط نقل.

4. قه Deoxidization

  1. نقل الركيزة قه في غرفة مبي.
  2. منحدر درجة حرارة الركيزة قه إلى 550 درجة مئوية عند 20 درجة مئوية • دقيقة -1 ثم إلى 700 درجة مئوية في 10 درجة مئوية • دقيقة -1. بعد عقد العينة في 700 درجة مئوية لمدة 1 ساعة، تبريد العينة إلى 200 درجة مئوية مع درجة مئوية • دقيقة -1 منحدر معدل 30.
  3. استخدام RHEED لتأكيد سطح 2 × 1 بناؤها كما هو موضح في قسم ممثل النتائج. 26،39
  4. اختياري: استخدام XPS لضمان أن تكون الركيزة قه (001) خالية من أكاسيد (الموصوفة في القسم 8).

5. رقيقة محددة المدة نمو STO على قه الركيزة

  1. ضبط درجة حرارة المفاعل محددة المدة إلى 225 درجة مئوية.
  2. الأب الحرارة (ط العلاقات العامة 3 اف ب) 2-130 درجة مئوية وTTIP إلى 40 درجة مئوية. الحفاظ على المياه في RT (ما بين 20 و 25 درجة مئوية). تنظيم تدفق بخار الماء في النظام محددة المدةعبر صمام إبرة تعلق على مرطبات مثل هذا الضغط الجرعات من الماء حوالي 1 عربة. الحفاظ على درجات حرارة السلائف مستمرة طوال عملية الترسيب.
  3. نقل العينة في الخلاء لمفاعل محددة المدة التي تم تسخينها إلى 225 درجة مئوية، والانتظار لمدة 15 دقيقة للحصول على نموذج للوصول إلى التوازن الحراري.
  4. تبديل منفذ العادم من مفاعل محددة المدة من المضخة turbomolecular إلى مضخة ميكانيكية.
  5. تشغيل وحدة تحكم تدفق للسماح لتدفق الغاز الخامل (تستخدم هذه المجموعة الأرجون). الحفاظ على ضغط التشغيل من 1 عربة أثناء عملية النمو بأكملها.
  6. تعيين نسبة دورة وحدة من الأب إلى Ti هو 2: 1. تعيين دورات وحدة من الأب وتي لجرعة 2 ثانية من السلائف الأب أو تي، تليها 15 ثانية الأرجون تطهير، ثم جرعة 1 ثانية من الماء، تليها 15 ثانية الأرجون تطهير آخر.
  7. ضبط عدد من دورات وحدة لتحقيق سماكة مرغوب فيه. تأكد من أن تسلسل محددة المدة الدراجات يحتوي علىتكرار مثل القليل من دورات وحدة ريال أو تي الفردية ممكن. على سبيل المثال، 2: ركوب الدراجات تسلسل 3 الأب إلى تي تحقيق نتائج أفضل عندما أعدم ك 1-الأب، 1-تي، تليها 1-الأب، 2-تي، بدلا من 2 الأب تليها 3-تي.
    ملاحظة: استخدمت هذه المجموعة 36 دورات وحدة لإيداع 2 نانومتر فيلم STO سميكة على قه.
  8. اختياري: استخدام XPS للتحقق من تكوين الفيلم (كما هو موضح في القسم 8).

6. التليين من STO السينمائي

  1. نقل العينة المودعة في الخلاء في غرفة الصلب.
  2. تسخين العينة إلى 650 درجة مئوية بمعدل 20 درجة مئوية • دقيقة -1 في ظل ظروف الفائق (10 -9 - 10 -8 تور). عقد على درجة حرارة 650 درجة مئوية لمدة 5 دقائق، ثم تبرد العينة إلى 200 درجة مئوية في نفس المعدل.
    ملاحظة: استخدام RHEED لتقييم نتيجة الصلب، كما هو موضح في قسم النتائج الممثل 26،39.

7. فوالنمو rther من STO

  1. كرر القسم 5،1-5،5.
  2. تعيين نسبة دورة الوحدة بين 1: 1 و 4: 3. الحفاظ على نفس المكون الجرعات / تطهير داخل كل دورة وحدة. تعيين تسلسل وفقا للمبادئ المذكورة في الخطوة 5.6.
  3. ضبط عدد من دورات وحدة لتحقيق سمك المقصود.
  4. يصلب الفيلم المودعة وفقا للمادة 6 من البروتوكول.

8. القياسات XPS

  1. تحميل العينة في غرفة التحليلية XPS وتشغيل مصدر الأشعة السينية. ضمان جميع البوابات المناسبة / يتم إغلاق الأبواب لمنع عرضي التعرض للأشعة السينية.
  2. إنشاء المسح الضوئي الجديد من خلال اختيار العناصر (ملزمة نطاقات الطاقة) المطلوبة للتحليل، أو تحديد برنامج المسح موجودة مسبقا.
    ملاحظة: ربط نطاقات الطاقة يمكن تغيير يدويا، إذا لزم الأمر. تعيين إعدادات أخرى، مثل الطاقة تمريرة، طاقة الإثارة، الطاقة خطوة، والوقت خطوة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولكن تبقىثابت في جميع بالاشعة عنصري للحفاظ على المقارنة بين أطياف الأولي. ويبين الجدول 1 إعدادات المسح الضوئي المستخدمة من قبل هذه المجموعة.
  3. معرفة ما اذا كان أي اتهام يحدث على الركيزة من خلال مراقبة الطاقة ملزمة من الذروة عنصر معروف، مثل يا 1S في 531 فولت.
    ملاحظة: اتهام يحدث إذا ذروة تحول من قيمته المعروفة.
  4. اضافة الى وجود بندقية الفيضانات في غرفة XPS وتشغيل بندقية الفيضانات إذا فرض يحدث. ضبط انتاج الطاقة بندقية الفيضانات والمسافة من العينة بحيث يتم إزاحة ذروة اختار العودة إلى الطاقة ملزمة الصحيحة.
  5. التلاعب في موقف المرحلة لتحقيق أقصى قدر من منطقة لوحظ تحت الذروة عنصر معروف في (عادة O 1 ق الذروة في 531 فولت).
  6. تشغيل الفحص XPS وجمع البيانات.
  7. إيقاف مصدر الأشعة السينية وإزالة عينة من XPS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الأرقام 5 و 6 عرض نموذجي أشعة الضوئية الأطياف والصور RHEED من ركيزة قه تنظيفها وdeoxidized. ويتسم الركيزة قه deoxidized بنجاح من قبل في "الوجه المبتسم" 2 × 1 بناؤها نمط RHEED. 26،39 وبالإضافة إلى ذلك، لوحظ خطوط كيكوتشي أيضا في الصور RHEED، التي تشير إلى النظافة والنظام بعيدة المدى من العينة (40). الحدة وشدة نمط حيود تظهر أيضا على نظافة السطح. يجب أن يكون قه 3 د الأشعة السينية الضوئية طيف خال من القمم قه أكسدة، مع ذروة قه 0 وحظ في 30 فولت. ويمكن أيضا أن يتم تأكيد ذلك من خلال عدم وجود ميزة ليا 1 ثانية على 531 فولت.

الفيلم STO نمت محددة المدة غير متبلور على ترسب وتتجسد عبر صورة RHEED ضبابية، مثل تلك التي في الشكل 6B (أي الأب / (الأب + تي)) من 0،53-0،54. تركيبة الفيلم يمكن التحقق عن طريق دمج الضوئية أطياف الأشعة السينية مع عوامل الحساسية النسبية المناسبة وغيرها من المعالم كما هو مبين في المادة 8 من البروتوكول. حصلت هذه المجموعة المعلمات على حد سواء استشارة كتيب من الأشعة السينية الضوئية الطيفي بواسطة فتت آخرون، 41 فضلا عن استخدام بلورات perovskite المتاحة تجاريا باسم المعايير. وهناك نسبة متكافئة الفقيرة بين الأب وتي (اي عند الفيلم هو تي الغنية أو الأب / (الأب + تي) أكبر من 0.57) يؤدي ذلك إلى ضعف التبلور، أو حتى عدم وجودها، بعد خطوة الصلب.

مرة واحدة فيوقد مطوع STO الفيلم، التبلور لها ويمكن ملاحظة عبر نمط RHEED، كما هو مبين في الشكلين 6C و6D. نمط RHEED من فيلم STO مع النمو الفوقي جيدة على قه يجب أن تظهر أنماط متتالية حادة. ويمكن أيضا أن أكد التبلور من الفيلم STO أودعتها حيود الأشعة السينية الشكل 7 يصور نمط حيود الأشعة السينية من STO الفوقي على قه مع قمم مميزة من (001) STO في 22.8 درجة، STO (002) في 46.5 ° وقه (004) في 66.0 درجة. طبيعة الفوقي للفيلم يمكن التأكد مباشرة من قبل مستعرضة عالية الدقة المجهر الإلكتروني النافذ (HRTEM). ويبين الشكل 8 التسجيل الفوقي جودة عالية بين STO وقه فضلا عن الانتقال المفاجئ بين الطبقات.

ويمكن أيضا إجراء القياسات الكهربائية من STO الفوقي على قه. ويبين الشكل 9 السعة فولت سن (CV) والحالي الجهد (الرابع) قياسات مكثف المعادن عازل أشباه الموصلات (موس) التي تم إنشاؤها عن طريق إيداع 50 ميكرومتر دائرة نصف قطرها تي / الاتحاد الافريقي أعلى القطب على STO / ن + قه (001). قياس السيرة الذاتية من 15 نانومتر STO فيلم من الشكل 9A يوحي السعة من الهيكل هو 5.3 μF / سم 2. لذا ثابت العزل الكهربائي للفيلم STO ما يقرب من 90 وغلة سمك أكسيد يعادل أقل من 0.7 نانومتر. ويبين الشكل 9B الكثافة الحالية تسرب مكثف MOS حوالي 10 A / سم 2 في حقل التطبيقية من 0.7MV / سم. ينبغي أن يتوقع كثافة التيار ارتفاع التسرب بسبب عدم وجود نطاق التوصيل تعويض بين STO وقه. إيداع أفلام أخرى على شركة جنرال الكتريك، مثل مخدر آل STO وhafnate السترونتيوم (SHO)، ويحسن كثافة التيار التسرب. 26،35 في الواقع، SHO يعطي كثافة التيار تسرب أقل من 10 -5 A / سم 2 في نفس الوقت المجال التطبيقي.

: المحافظة على together.within الصفحات = "1"> شكل 1
الشكل 1. تخطيطي لنظام فراغ متصل. ويتضمن نظام فراغ مبي، محددة المدة، وغرف تحليلية مرتبطة معا عن طريق خط نقل فائقة فراغ، والسماح في نقل عينة الخلاء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. محددة المدة تصميم المفاعل، وغرفة محددة المدة يبلغ حجمه 460 سم 3 وطول 20 سم. يسلم الناقل للغاز السلائف من الساتوراتور إلى المفاعل، وتتم إزالة غازات العادم من خلال ميناء مضخة turbomolecular. يتم نقل العينة إلى منطقة تفاعل من نهاية مفاعل المعاكس إلى مدخل الغاز. e.com/files/ftp_upload/54268/54268fig2large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. محددة المدة السلائف مرطبات. (A) رسم تخطيطي للعرف بني مرطبات هذه المجموعة وكذلك أجزاء أخرى تستخدم لتسليم السلائف في غرفة محددة المدة. (ب) و (ج) تظهر في الجزء العلوي والسفلي من مرطبات، على التوالي. وترتبط شطري عن طريق تركيب جهاز فيديو، وتفكيكها عند ملء مرطبات. كلها مصنوعة أجزاء من 316 الفولاذ المقاوم للصدأ، مع استثناء من محول الصلب بيركس إلى غير القابل للصدأ، وترتبط معا عن طريق لحام بعقب. يمكن الاطلاع على معلومات مفصلة من هذه الأجزاء في قائمة الكواشف محددة والمعدات.r يمكنك الحصول = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. فراغ صاحب العينة النظام. (A) وصاحب العينة و18 × 20 مم 2 قه الركيزة. (ب) وصاحب العينة مع الركيزة قه تحميل. لاحظ أن الجانب المصقول لأسفل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5. الأشعة السينية الضوئية الأطياف. (A) قه 3 د، (ب) O 1 ق، (C) الأب 3 د، و (D) تي 2 ص قبل نمو محددة المدة (الصلبة الأحمر خط)، بعد 36 دورات وحدة (~ 2 نانومتر STO) (متقطع الخط البني)، وبعد 155 دورات وحدة (~ 8 نانومتر STO) (الخط الأسود الصلبة). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6. الصور RHEED (A) والركيزة قه نظيفة بعد إزالة الأكسدة الحرارية، (ب) بعد ترسب STO الثاني (155 دورات وحدة، كما المودعة)، و (C) - (D) بعد الصلب في 650 درجة مئوية. يتم محاذاة شعاع على طول [110] و [100] السمت ل(C) و (D)، على التوالي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

EP-together.within الصفحات = "1"> الرقم 7
الشكل الأشعة السينية 7. نمط الحيود، ونمط الحيود عن 15 نانومتر فيلم STO سميكة نما بنسبة محددة المدة على قه (001) في 225 درجة مئوية. أقحم: هزاز منحنى حول STO (002) ذروة الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 8
الرقم 8. مستعرضة مجهرية عالية الدقة نقل الإلكترون. HRTEM يصور جودة عالية STO على قه. أقحم: منطقة مختارة نمط حيود الإلكترون تظهر التسجيل الفوقي بين الركيزة وفيلم الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

SS = "jove_content" FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1"> الرقم 9
الرقم 9. السيرة الذاتية ومنحنى الرابع من مكثف MOS مع STO. (A) السعة المحددة بوصفها وظيفة من الجهد التحيز ل15 نانومتر سميكة فيلم STO على ن + قه (001) من خلال محددة المدة، و (ب) كثافة التسرب البوابة الحالية بوصفها وظيفة من التحيز الجهد يقاس من الاتحاد الافريقي نموذجي (تي ) / STO هيكل / قه. تم إنشاء هيكل مكثف المعادن عازل أشباه الموصلات بإيداع 50 ميكرون دائرة نصف قطرها تي / الاتحاد الافريقي أعلى القطب على الفيلم STO. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

اسم المنطقة وضع العدسة تمرير الطاقة (فولت) Excitaنشوئها الطاقة (فولت) وضع الطاقة الطاقة (فولت) الخطوة الطاقة (إلكترون فولت) خطوة الوقت (ثانية) خطوات
منخفض عالي
مسح مسح انتقال 200 1486.6 ربط 0 1300 800 0.286 1657
3D ريال انتقال 100 1486.6 ربط 127،805 140.1942 50 0.157 499
منظمة الشفافية الدولية 2P انتقال 100 1486.6 ربط 449 471 50 0.157 691
انتقال 100 1486.6 ربط 515 545 50 0.157 851
1S C انتقال 100 1486.6 ربط 277.5 302.5 50 0.157 751
جنرال الكتريك 3D انتقال 100 1486.6 ربط 24 36 50 0.157 491

الجدول 1. XPS إعدادات المسح الضوئي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

نظافة الركيزة قه هو مفتاح النجاح عندما نموا في الفوقي perovskite استخدام محددة المدة. مقدار الوقت ركيزة قه تنفق بين الشحوم وdeoxidization، ومقدار الوقت بين deoxidization وترسب STO، يجب أن تبقى كحد أدنى. عينات لا تزال تخضع لالتعرض الملوثات حتى في ظل بيئة الفائق. التعرض لفترات طويلة قد يؤدي إلى إعادة الترسب من الكربون العارض أو قه عودة التأكسد، مما أدى إلى نمو فيلم الفقراء. وقد استخدمت هذه المجموعة إجراء إزالة الشحوم المستخدمة على نطاق واسع (صوتنة في الأسيتون / IPA / DI-الماء مع التعرض للأشعة فوق البنفسجية للأوزون لاحقا) لإزالة الملوثات الكربون. ويمكن أيضا إجراء باستخدام البلازما آخر الأكسجين في ظل ظروف الفائق أن تستخدم لإزالة الملوثات الكربون. و39 البلازما الأكسجين أكسدة أيضا على سطح الركيزة قه، ولكن أكسيد يمكن إزالتها في بروتوكول deoxidization قه لاحق. قدمت إزالة الأكسدة الحرارية للبروتوكول GEO 2 هناغير فعالة لأغراض النمو perovskite في هذه الدراسة.

بالإضافة إلى نظافة الركيزة، لا بد من تحقيق رياضيات الكيمياء الأب الغني قليلا، من الناحية المثالية بين 0.53 و 0.54 الأب / (الأب + تي)، من أجل تحقيق تبلور خلال الخطوة الصلب. في حين الأفلام مع الأب / (الأب + تي) من بين 0.48 و 0.57 يمكن أن تتبلور كل بدرجات متفاوتة، وقد وجدت هذه المجموعة تجريبيا أن الأفلام STO مع الأب / (الأب + تي) بين 0.53 و 0.54 بلورة أكثر سهولة. وهذا هو، تبلور الحدوث ويمكن ملاحظة عند درجة حرارة أقل أثناء التعلية درجة الحرارة (الخطوة 6.2) من الأفلام مع المكونات الأخرى. يتم تحديد العناصر المتفاعلة بين الأب وتي من قبل المعلمات مختلفة من عملية الترسيب، مثل درجة الحرارة السلائف، الجرعات وتطهير الوقت ودرجة الحرارة الركيزة، ونسبة دورة الوحدة. اختيار هذه المعايير يعتمد إلى حد كبير على حركية رد فعل كل السلائف محددة المدة. يكفي الضغط السلائف بخاراللازمة في غرفة المفاعل لدفع التوازن نحو تغطية السطح كاملة وامتصاص الجزيئات السلائف. وعند درجة حرارة السلائف والجرعات الوقت المناسب وضمان تمهيدا يشبع سطح الركيزة خلال الخطوة الجرعات من دورة وحدة محددة المدة. يتم تحديد درجة حرارة السلائف المستخدمة في تجربة محددة المدة من خلال استعراض مجموعة من التقارير في الأدب، ومواصفات الصانعين، والخبرة التجريبية السابقة مع المركبات. هذه المجموعة عادة ما يضبط درجة حرارة السلائف مثل هذا الضغط السلائف بخار ما يقرب من 0.1 عربة. نظرا لاختلاف بين مختلف التصاميم نظام الترسيب، وهناك حاجة عموما بعض التجربة والخطأ للعثور على درجات الحرارة السلائف عند اعتماد تمهيدا الجديد. وبالمثل، يحتاج الأمر إلى وقت تطهير كافية بحيث غرفة محددة المدة خالية من الجزيئات السلائف مداوي سابقا. وهذا يضمن محددة المدة الحقيقية عملية ترسيب مادة واحدة في وقت واحد بدلا من الأمراض القلبية الوعائية-Lآيك ترسب المستمر. تمتلك السلائف البض على نوافذ درجة الحرارة ( "نافذة محددة المدة") حيث معدل الترسيب ستكون مستقلة تقريبا من درجة حرارة الركيزة. خلال ترسب جزيئات السلائف سوف تشبع سطح الركيزة، ومنع جزيئات إضافية من التكثيف على السطح. ونتيجة لذلك، فإن كمية ستقتصر الجزيئات والذرات كل دورة المودعة من قبل خصائص المتفاعلة الامتزاز وحركية. لأكسيد ثلاثي مثل STO، قد السلائف اثنين لا تزال لديها معدلات مختلفة من ترسب. وبالتالي، فإن نسبة دورة الوحدة بين السلائف تحتاج إلى إنشاء تجريبيا. استقر هذه المجموعة على المعايير المذكورة في المادتين 5-7 في القسم بروتوكول عبر مواصفات المنتج من الشركات المصنعة، وتقارير من الأدب، 42-45 والبيانات من التجارب الماضية 29،30.

تبين من خلال التجارب أنه على الرغم من الأب: مراكز الشباب الإصلاحية تينسب جنيه من القريب 1: 1 أسفرت الأفلام STO متكافئة في مخزنة STO سي (001)، 2: 1 الأب: هناك حاجة إلى نسبة دورة منظمة الشفافية الدولية لنمو STO الأولي على قه 26 ونتيجة لذلك، فإن نمو محددة المدة من خطوتين يستخدم للأفلام STO أكثر سمكا من 2 نانومتر. الأفلام STO أودعت باستخدام خطوات 5-7 من البروتوكول سيكون غير متبلور كما المودعة ومن الضروري أن يصلب الأفلام. يتم تأسيس درجة الحرارة الصلب تجريبيا. 26،29،30، والحاجة إلى درجات الحرارة الصلب أعلى من 650 درجة مئوية قد تشير إلى مشاكل مع الركيزة، مثل سطح الركيزة تنظيفها بشكل غير كامل أو رياضيات الكيمياء الانحراف عن المثالي لالأب الغنية قليلا رياضيات الكيمياء (على سبيل المثال ، مثالية SrTiO 3 لديه 20، 20، و 60٪ من ذرية الأب، تي، وO، على التوالي). على الرغم من أن perovskite رياضيات الكيمياء النظرية ينبغي أن تسفر أفضل التبلور ممكن، لوحظت الأفلام قليلا والغنية لبلورة أفضل من الأفلام متكافئة أو-B الغنية. إذا كانت نسبة الأب / (الأب + تي) هي وراء عشرمجموعة (ه) من 0،48-0،57، فإنه سيكون من الصعب بلورة الفيلم أثناء عملية الصلب. وقد مطوع هذه المجموعة أفلام STO في غرفة مبي مجهزة في RHEED الموقع لمراقبة عملية التبلور، وبالتالي قرر المعلمات من أجل إجراء الصلب.

بعد الانتهاء من أقسام 4 و 5 و 6 و 7 من البروتوكول، فإن على المرء أن يكون خيار تقييم العينة عن طريق XPS. هذه المجموعة المستخدمة في الموقع XPS لجميع القياسات XPS مناقشتها في هذه المقالة، أي بقيت العينات في النظام الفائق في جميع الأوقات. استخدام في الموقع XPS يسمح لتقييم دقيق للنتيجة بعد كل خطوة من هذه التجربة. لذلك، في ALD الفيلم المودعة يمكن تقييم محتوى الكربون الملوث الشائع في دون مخاوف من تلوث من مصادر الكربون المحيطة. كما لم يتعرض العينات إلى جو التأكسدي بعد النمو الذي يلغي إمكانية مذبحجي خصائص الفيلم عن طريق الأكسدة.

على الرغم من أن معدل التكافؤ بين الأب وتي في الفيلم STO أودعت يمكن تعديلها عن طريق التلاعب في نسبة دورة وحدة، معدل التكافؤ قد لا تختلف خطيا فيما يتعلق النسبة بين السلائف اثنين. الأفلام STO، بين perovskites أخرى، أكثر تسامحا تجاه نقص تي (الشواغر الموقع باء من perovskite) بدلا من أن ريال (A-الموقع). 26،31،33 ورياضيات الكيمياء جيدة (بين 0.53 و 0.54 الأب / ( سوف ريال + تي)) ينتج في درجة حرارة تبلور أقل خلال الصلب. باستخدام بروتوكول المحدد، هذه المجموعة نمت متكافئة، والأفلام بلوري STO تصل إلى 15 نانومتر في السمك. 26 لتنمو فيلم سمكا، واحدة قد تحتاج إلى إيداع الفيلم في عدة خطوات النمو ويصلب، أو محاولة لتعزيز في الموقع التبلور. مع ارتفاع درجة حرارة الترسيب، الفيلم قد تتبلور على ترسب. ومن عيوب تعزيز في صرخة الموقعstallization هو أن خشونة من الأفلام ويبدو أن تكون أكبر من تلك الأفلام التي تبلورت والصلب فيلم غير متبلور بعد ترسب 46

ومحددة المدة من STO على تجربة قه مناقشتها في هذه المقالة يمكن تعديلها بسهولة لإيداع A-الموقع وB-موقع استبدالها الأفلام perovskite. ويمكن القيام بذلك عن طريق استبدال بعض من دورات وحدة ريال أو تي مع تلك العناصر المرغوبة، مثل اللانثانم لموقع ألف والهافنيوم لموقع B. ومن الممكن أيضا أن تطبيق مبادئ وراء هذا البروتوكول عندما تزايد ABO 3 أفلام أخرى perovskite، مثل السترونتيوم hafnate (SHO) 35 والباريوم تيتانات (BTO)، 36 epitaxially على قه (001). توفر خصائص مختلفة من أكاسيد perovskite المطابقة شعرية سوف تمكن من تطوير أجهزة الكترونية دقيقة متكاملة كتلة واحدة على أساس perovskite. وقد أثبت هذا العمل إمكانات أكاسيد البلورية المتزايد على تطبيق ا ف ب إلكتروني متطورplications في المستقبل القريب، وخاصة بالنسبة للمواد أشباه الموصلات والتنقل عالية مثل جنرال الكتريك.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة في الكشف عنها.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MBE DCA M600
Cryopump for MBE Brooks Automation, Inc. On-Board 8
Residual Gas Analyzer for MBE Extorr, Inc. XT200M
ALD Reaction Chamber Huntington Mechanical Laboratories Custom manufactured, hot-wall, stainless steel, rectangular (~20 cm long, 460 cm3)
ALD Saturator Swagelok/Larson Electronic Glass See comments Custom-built from parts supplied by Swagelok and Larson Electronic Glass. The saturator is made out of 316 stainless steel and Pyrex. All parts are connected via butt welding. Swagelok catalog numbers: SS-4-VCR-7-8VCRF, SS-4-VCR-1, SS-8-VCR-1-03816, SS-8-VCR-3-8MTW, 316L-12TB7-6-8, SS-8-VCR-9, SS-4-VCR-3-4MTW, SS-T2-S-028-20. Larson Electronic Glass catalog number: SP-075-T.
Manual Valves for Saturators Swagelok SS-DLVCR4-P and 6LVV-DPFR4-P Both diaphragm-sealed valves are used interchangably by this group. The specific connectors (VCR male/female/etc.) to use will depend on the actual system design.
ALD Valves Swagelok 6LVV-ALD3TC333P-CV
ALD System Tubing Swagelok 316L tubing of various sizes. This group uses inner diameter of 1/4"
ALD power supply AMETEK Programmable Power, Inc. Sorensen DCS80-13E
ALD Temperature Controller Schneider Electric Eurotherm 818P4
ALD Valve Controller  National Instruments LabView Program developed within the group
XPS VG Scienta
RHEED Staib Instruments CB801420 18 keV at ~3° incident angle
RHEED Analysis System k-Space Associates kSA 400
Digital UV Ozone System Novascan PSD-UV 6
Ozone Elimination System Novascan PSD-UV OES-1000D
Titanium tetraisopropoxide (TTIP) Sigma-Aldrich 87560 Flammable in liquid and vapor phase
 
 
Name Company Catalog Number Comments
Strontium bis(triisopropylcyclopentadienyl) Air Liquide HyperSr Mildly reactive to air and water. Further information supplied by Air Liquide can be found at https://www.airliquide.de/inc/dokument.php/standard/1148/airliquide-hypersr-datasheet.pdf
Ge (001) wafer MTI Corporation GESBA100D05C1 4", single-side polished Sb-doped wafer with ρ ≈ 0.04 Ω-cm
Argon (UHP) Praxair
Deionized Water 18.2 MΩ-cm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Phan, M. -H., Yu, S. -C. Review of the magnetocaloric effect in manganite materials. J. Magn. Magn. Mater. 308 (2), 325-340 (2007).
  2. Serrate, D., Teresa, J. M. D., Ibarra, M. R. Double perovskites with ferromagnetism above room temperature. J. Phys. Condens. Matter. 19 (2), 023201 (2007).
  3. Cheng, J. -G., Zhou, J. -S., Goodenough, J. B., Jin, C. -Q. Critical behavior of ferromagnetic perovskite ruthenates. Phys. Rev. B. 85 (18), 184430 (2012).
  4. Ahn, C. H. Ferroelectricity at the Nanoscale: Local Polarization in Oxide Thin Films and Heterostructures. Science. 303 (5657), 488-491 (2004).
  5. Catalan, G., Scott, J. F. Physics and Applications of Bismuth Ferrite. Adv. Mater. 21 (24), 2463-2485 (2009).
  6. Ramesh, R., Spaldin, N. A. Multiferroics: progress and prospects in thin films. Nat. Mater. 6 (1), 21-29 (2007).
  7. Vrejoiu, I., Alexe, M., Hesse, D., Gösele, U. Functional Perovskites - From Epitaxial Films to Nanostructured Arrays. Adv. Funct. Mater. 18 (24), 3892-3906 (2008).
  8. Jang, H. W., et al. Metallic and Insulating Oxide Interfaces Controlled by Electronic Correlations. Science. 331 (6019), 886-889 (2011).
  9. Hwang, H. Y., et al. Emergent phenomena at oxide interfaces. Nat. Mater. 11 (2), 103-113 (2012).
  10. Stemmer, S., Millis, A. J. Quantum confinement in oxide quantum wells. MRS Bull. 38 (12), 1032-1039 (2013).
  11. Stemmer, S., James Allen, S. Two-Dimensional Electron Gases at Complex Oxide Interfaces. Annu. Rev. Mater. Res. 44 (1), 151-171 (2014).
  12. Biscaras, J., et al. Two-dimensional superconductivity at a Mott insulator/band insulator interface LaTiO3/SrTiO3. Nat. Commun. 1, 89 (2010).
  13. Dagotto, E. Complexity in Strongly Correlated Electronic Systems. Science. 309 (5732), 257-262 (2005).
  14. Jin, K., et al. Novel Multifunctional Properties Induced by Interface Effects in Perovskite Oxide Heterostructures. Adv. Mater. 21 (45), 4636-4640 (2009).
  15. McKee, R. A., Walker, F. J., Chisholm, M. F. Crystalline oxides on silicon: the first five monolayers. Phys. Rev. Lett. 81 (14), 3014 (1998).
  16. Warusawithana, M. P., et al. A Ferroelectric Oxide Made Directly on Silicon. Science. 324 (5925), 367-370 (2009).
  17. Niu, G., Vilquin, B., Penuelas, J., Botella, C., Hollinger, G., Saint-Girons, G. Heteroepitaxy of SrTiO3 thin films on Si (001) using different growth strategies: Toward substratelike qualitya. J. Vac. Sci. Technol. B. 29 (4), 041207 (2011).
  18. Yu, Z., et al. Advances in heteroepitaxy of oxides on silicon. Thin Solid Films. 462-463, 51-56 (2004).
  19. Yu, Z., et al. Epitaxial oxide thin films on Si (001). J. Vac. Sci. Technol. B. 18 (4), 2139-2145 (2000).
  20. Demkov, A. A., Zhang, X. Theory of the Sr-induced reconstruction of the Si (001) surface. J. Appl. Phys. 103 (10), 103710 (2008).
  21. Zhang, X., et al. Atomic and electronic structure of the Si/SrTiO3 interface. Phys. Rev. B. 68 (12), 125323 (2003).
  22. Ashman, C. R., Först, C. J., Schwarz, K., Blöchl, P. E. First-principles calculations of strontium on Si(001). Phys. Rev. B. 69 (7), 075309 (2004).
  23. Kamata, Y. High-k/Ge MOSFETs for future nanoelectronics. Mater. Today. 11 (1-2), 30-38 (2008).
  24. Fischetti, M. V., Laux, S. E. Band structure, deformation potentials, and carrier mobility in strained Si, Ge, and SiGe alloys. J. Appl. Phys. 80 (4), 2234-2252 (1996).
  25. Liang, Y., Gan, S., Wei, Y., Gregory, R. Effect of Sr adsorption on stability of and epitaxial SrTiO3 growth on Si(001) surface. Phys. Status Solidi B. 243 (9), 2098-2104 (2006).
  26. McDaniel, M. D., et al. A Chemical Route to Monolithic Integration of Crystalline Oxides on Semiconductors. Adv. Mater. Interfaces. 1 (8), (2014).
  27. Leskelä, M., Ritala, M. Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures. Thin Solid Films. 409 (1), 138-146 (2002).
  28. George, S. M. Atomic Layer Deposition: An Overview. Chem. Rev. 110 (1), 111-131 (2010).
  29. McDaniel, M. D., Posadas, A., Wang, T., Demkov, A. A., Ekerdt, J. G. Growth and characterization of epitaxial anatase TiO2(001) on SrTiO3-buffered Si(001) using atomic layer deposition. Thin Solid Films. 520 (21), 6525-6530 (2012).
  30. McDaniel, M. D., et al. Growth of epitaxial oxides on silicon using atomic layer deposition: Crystallization and annealing of TiO2 on SrTiO3-buffered Si(001). J. Vac. Sci. Technol. B. 30 (4), 04E11 (2012).
  31. McDaniel, M. D., et al. Epitaxial strontium titanate films grown by atomic layer deposition on SrTiO3-buffered Si(001) substrates. J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (1), 01A136 (2013).
  32. Ngo, T. Q., et al. Epitaxial growth of LaAlO3 on SrTiO3-buffered Si (001) substrates by atomic layer deposition. J. Cryst. Growth. 363, 150-157 (2013).
  33. Ngo, T. Q., et al. Epitaxial c-axis oriented BaTiO3 thin films on SrTiO3-buffered Si(001) by atomic layer deposition. Appl. Phys. Lett. 104 (8), 082910 (2014).
  34. McDaniel, M. D., et al. Incorporation of La in epitaxial SrTiO3 thin films grown by atomic layer deposition on SrTiO3-buffered Si (001) substrates. J. Appl. Phys. 115 (22), 224108 (2014).
  35. McDaniel, M. D., et al. Atomic layer deposition of crystalline SrHfO3 directly on Ge (001) for high-k dielectric applications. J. Appl. Phys. 117 (5), 054101 (2015).
  36. Ngo, T. Q., et al. Integration of Ferroelectric Perovskites on Ge(001) by ALD: A Case Study of BaTiO3. , Available from: http://www2.avs.org/symposium2014/Papers/Paper_EM+MI+NS-MoM11.html (2014).
  37. Jahangir-Moghadam, M., et al. Band-Gap Engineering at a Semiconductor-Crystalline Oxide Interface. Adv. Mater. Interfaces. 2 (4), (2015).
  38. Posadas, A., et al. Epitaxial integration of ferromagnetic correlated oxide LaCoO3 with Si (100). Appl. Phys. Lett. 98 (5), 053104 (2011).
  39. Ponath, P., Posadas, A. B., Hatch, R. C., Demkov, A. A. Preparation of a clean Ge(001) surface using oxygen plasma cleaning. J. Vac. Sci. Technol. B. 31 (3), 031201 (2013).
  40. Braun, W. Applied RHEED: Reflection High-Energy Electron Diffraction During Crystal Growth. , Springer Science & Business Media. (1999).
  41. Moulder, J. F., Stickle, W. F., Sobol, P. E., Bomben, K. E. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. , Perkin-Elmer Corporation. Eden Prairie, MN. (1992).
  42. Vehkamäki, M., Hatanpää, T., Hänninen, T., Ritala, M., Leskelä, M. Growth of SrTiO3 and BaTiO3 thin films by atomic layer deposition. Electrochem. Solid-State Lett. 2 (10), 504-506 (1999).
  43. Vehkamäki, M., et al. Atomic Layer Deposition of SrTiO3 Thin Films from a Novel Strontium Precursor-Strontium-bis(tri-isopropyl cyclopentadienyl). Chem. Vap. Depos. 7 (2), 75-80 (2001).
  44. Ritala, M., Leskelä, M., Niinisto, L., Haussalo, P. Titanium isopropoxide as a precursor in atomic layer epitaxy of titanium dioxide thin films. Chem. Mater. 5 (8), 1174-1181 (1993).
  45. Aarik, J., Aidla, A., Uustare, T., Ritala, M., Leskelä, M. Titanium isopropoxide as a precursor for atomic layer deposition: characterization of titanium dioxide growth process. Appl. Surf. Sci. 161 (3-4), 385-395 (2000).
  46. Premkumar, P. A., Delabie, A., Rodriguez, L. N. J., Moussa, A., Adelmann, C. Roughness evolution during the atomic layer deposition of metal oxides. J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (6), 061501 (2013).

Tags

الكيمياء، العدد 113، ترسيب الطبقة الذرية، perovskite، تيتانات السترونتيوم، SrTiO
الفوقي نمو Perovskite سترونتيوم تيتانات على الجرمانيوم عن طريق ترسب طبقة الذري
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, E. L., Edmondson, B. I., Hu,… More

Lin, E. L., Edmondson, B. I., Hu, S., Ekerdt, J. G. Epitaxial Growth of Perovskite Strontium Titanate on Germanium via Atomic Layer Deposition. J. Vis. Exp. (113), e54268, doi:10.3791/54268 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter