Croissance et propriétés électrostatiques et chimiques du métal/LaAlO3/SrTiO3 hétérostructures

L’objectif général de cette procédure est de fabriquer et d’étudier des hétérostructures métalliques de type lanthane-aluminate-strontium en utilisant une combinaison d’expériences de dépôt laser pulsé, de pulvérisation cathodique, de spectroscopie de photoémission de rayons X et de magnétotransport. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés sur l’interaction entre l’électrostatique et le phénomène chimique du gaz d’électrons quasi bidimensionnel formé dans ces types de systèmes. Les principaux avantages de cette technique sont sa simplicité et sa polyvalence, qui permettent une croissance de haute qualité, couche par couche, de films ultra-minces multi-puissances.

Tout d’abord, remplissez d’eau un nettoyeur à ultrasons de 40 kilohertz et chauffez le bain à 60 degrés Celsius. Ajoutez à un bécher en verre borosilicaté suffisamment d’acétone pour remplir le bécher à au moins 20 % de son volume maximum. Placez dans le bécher un substrat monocristallin mono-face poli uni-face orienté STO, prêt à l’emploi.

Injectez du substrat dans de l’acétone pendant trois minutes. Séchez le substrat sous un jet d’azote gazeux provenant d’une soufflette. Répétez la sonication dans de l’isopropanol et de l’eau désionisée en séquence.

Montez le substrat propre dans une louche de fluorure de polyvinylidène. Remplissez un autre bécher en verre borosilicaté avec de l’eau désionisée qui coule. Ensuite, remplissez environ 20 % d’un bécher en polytétrafluoroéthylène de taille similaire avec de l’acide fluorhydrique tamponné avec du fluorure d’ammonium.

À l’aide de la louche, le substrat est immergé dans la gravure à l’oxyde tamponné pendant précisément 30 secondes. Transférez immédiatement le substrat gravé dans le bécher d’eau désionisée qui s’écoule. Agitez doucement le substrat dans l’eau désionisée qui s’écoule pendant deux minutes.

Séchez le substrat sous un courant d’azote gazeux et recuitssez le substrat dépoli dans un environnement oxygéné à 1000 degrés Celsius. Ensuite, polissez mécaniquement doucement une cible LAO monocristalline d’un pouce avec du papier de verre en oxyde d’aluminium de grain 180 lubrifié à l’isopropanol. Une fois que la surface apparaît homogène, séchez la cible sous un flux d’azote gazeux.

Montez la cible LAO polie dans un carrousel qui permet la rotation de la cible. Insérez le carrousel dans la chambre de verrouillage de charge, évacuez la chambre et transférez le carrousel dans une chambre de dépôt laser pulsé. Une fois que la pression de la chambre de dépôt par laser pulsé atteint 10 à 9 millibars, fournissez de l’oxygène à la chambre pour atteindre une pression partielle d’oxygène de 2 x 10 à 4 millibars, puis placez un compteur d’énergie laser excimer dans le trajet du faisceau laser au fluorure de krypton entre la deuxième lentille convergente et la fenêtre en quartz.

Réglez le laser sur une fréquence arbitraire et lisez l’énergie sur le compteur. Sélectionnez la rotation de la cible, retirez le compteur d’énergie et pré-ablation de la cible à trois ou quatre hertz pendant 20 000 impulsions afin de nettoyer sa surface. Avant la préparation de l’échantillon, utilisez la microscopie à force atomique pour confirmer la terminaison, la morphologie et la propreté de la surface du substrat STO terminé.

Utilisez la pâte d’argent conductrice pour fixer le substrat STO terminé à un porte-échantillon avec la surface terminée vers le haut, en veillant à ce que le substrat soit au centre du support. Chauffez le porte-échantillon sur une plaque chauffante à 100 degrés Celsius pendant 10 minutes pour évaporer le solvant et solidifier la pâte pour une conduction thermique optimale. Ensuite, laissez le porte-échantillon refroidir à température ambiante.

Insérez le support d’échantillon dans la chambre de verrouillage de charge et transférez-le dans la chambre de spectroscopie de photoélectrons à rayons X. Alignez l’échantillon avec la normale de surface parallèle à l’axe de l’analyseur d’électrons. Déplacez le pistolet à rayons X aussi près que possible de l’échantillon sans permettre de contact mécanique entre le pistolet et le porte-échantillon.

Après vous être assuré que la chambre est sous ultravide, allumez le pistolet à rayons X. Acquérez un spectre d’étude compris entre 12 000 et 0 électronvolts, avec un pas sélectionné de 0,2 électronvolts, un temps de séjour de 0,2 seconde, une énergie de passage comprise entre 30 et 60 électronvolts et la plus petite taille de spot possible. Acquérir un spectre de pics d’intérêt pour une analyse élémentaire ultérieure.

Après l’analyse XPS initiale de l’échantillon, transférez le support d’échantillon dans la chambre PLD et positionnez le support de manière à ce que le substrat fasse face à la cible LAO. Fournir de l’oxygène à la chambre pour obtenir une pression partielle d’oxygène de 2x10 au 4ème millibars. Augmentez la température du porte-échantillon à 730 degrés Celsius à 25 degrés Celsius par minute, puis réglez le canon de diffraction d’électrons à haute énergie sur une tension source de 30 kilovolts et un courant d’environ 50 microampères.

Avec le porte-échantillon, placez-le à 63 millimètres de la cible, alignez le faisceau d’électrons lu avec la surface du substrat à un angle rasant compris entre un et trois degrés, de sorte que les taches de diffraction apparaissent sur l’écran de phosphore. Surveillez l’intensité des spots en temps réel à l’aide d’une caméra CCD et d’un logiciel d’analyse d’images. Une fois la lecture stabilisée, démarrez le laser.

Observez le panache et surveillez les oscillations de lecture. Arrêtez le laser au sommet d’une oscillation lorsque vous atteignez l’épaisseur souhaitée. Éteignez le pistolet de lecture, réduisez la température du support à 500 degrés Celsius et augmentez la pression partielle d’oxygène de la chambre à 0,1 millibar.

Une fois que la température et la pression sont stables, augmentez la pression partielle d’oxygène à 300 millibars et recuit l’échantillon à 500 degrés Celsius pendant 60 minutes. Analysez l’échantillon de LAO/STO avec XPS. Transférez le porte-échantillon avec le substrat LAO/STO dans la chambre de pulvérisation sous vide.

Positionnez le support de manière à ce que le substrat soit à environ 7 cm de la cible de cobalt. Fournir du gaz argon pur à la chambre de pulvérisation. Avec l’obturateur cible fermé, augmentez le courant à environ 100 milliampères pour allumer le plasma.

Réduisez le courant à 80 milliampères et diminuez l’alimentation en argon à 5,2 sccm, pré-pulvérisez la cible de cobalt, puis ouvrez l’obturateur et déposez du cobalt pendant 25 secondes. Fermez l’obturateur pour terminer la déposition. Pour les expériences de transport, déposez une couche de recouvrement de trois nanomètres d’aluminium pour empêcher l’oxydation de la couche métallique sous-jacente lors de l’exposition à l’air.

Sinon, analysez l’échantillon avec XPS après dépôt de cobalt. Retirez le porte-échantillon du système et transférez-le dans un support de mesure de transport. Sur la platine d’échantillonnage d’une machine de collage par coin par ultrasons, utilisez des fils d’aluminium ou d’or de 0,025 millimètre de diamètre pour lier les quatre coins de l’échantillon à un canal du support de mesure de transport dans la géométrie de la coque.

Assurez-vous que les fils adhèrent bien à la surface de l’échantillon. Ensuite, liez les quatre coins à un deuxième canal dans la géométrie vanderpow. Vérifiez les contacts à l’aide d’un multimètre.

Montez le support dans une configuration de transport et mesurez la résistance de la magnéto et l’effet de la coque à différentes températures. Les mesures de transport de magnéto ont montré un comportement étonnamment varié en fonction de la couche de métal déposée. Des échantillons LAO/STO recouverts de métaux réactifs ont montré des traces de coque en forme de S, indiquant qu’un système électronique bidimensionnel quasi interfacial s’était formé.

Des échantillons similaires de cellules LAO/STO à deux unités, coiffés de métaux nobles, ont montré des traces de coque linéaires avec des changements de résistance de seulement quelques dizaines de milliohms sur 4 teslas. Cohérent avec une interface isolante à laquelle seule la couche métallique a été détectée. La XPS d’un échantillon LAO/STO d’une cellule unitaire recouverte de tantale a montré des pics d’oxyde de tantale et une suppression partielle ou totale de la caractéristique métallique du tantale, suggérant que l’oxygène avait tendance à se diffuser vers le métal à partir de la surface de la pérovskite.

Les atomes de titane ont hébergé une partie des électrons libérés dans le réseau par la formation de lacunes d’oxygène à la surface de la pérovskite, changeant l’état de valence du titane de 4 à 3 et formant un système électronique 2D quasi de 2D. Le rapport d’intensité titane 3+ à titane 4+ était d’environ 20 %La modification de l’angle de décollage des électrons de 0 à 50 degrés a eu un effet minime sur l’intensité du titane 3+, indiquant que le système électronique quasi de 2D s’étendait au-delà de la profondeur maximale de sonde XPS de cinq nanomètres. Une fois maîtrisée, la procédure complète pour un échantillon peut être effectuée en un ou deux jours environ.

Lorsque vous essayez d’effectuer la croissance de la PLD, portez une attention particulière à la qualité des substrats et des cibles utilisées. Effectuez une analyse supplémentaire si les échantillons cultivés ne présentent pas les propriétés attendues. En raison de sa polyvalence, cette procédure permet la création et l’analyse hautement contrôlées de pratiquement n’importe quel type d’hétérostructures d’oxydes, ainsi que la possibilité d’explorer une multitude de nouveaux effets physiques interfaciaux et de surface.