Summary
Çeşitli işlemler karmaşık oksit ince filmlerin epitaksiyal büyümesi için atomik tanımlı şablonlar hazırlamak özetlenmiştir. Tek kristal SrTiO 3 (001) ve DyScO 3 kimyasal işlemler (110), alt-tabakalar atomik olarak pürüzsüz, tek sonlu yüzeyler elde etmek için yapıldı. Ca 2 Nb 3 O 10 - nanosheets keyfi yüzeylerde atomik tanımlı şablonlar oluşturmak için kullanıldı.
Abstract
Atomik tanımlanan alt tabaka yüzeyleri karmaşık oksit ince filmlerin epitaksiyal büyüme için önkoşuldur. Bu protokol, iki yaklaşım bu yüzeyler açıklanmıştır elde edildi. İlk yaklaşım tek sona perovskit SrTiO 3 (001) ve DyScO 3 (110), alt-tabakaların hazırlanmasıdır. Bir tavlama aşaması, yüzey düzgünlüğünü geliştirmek için kullanıldı olurken ıslak aşındırma, seçici olarak, iki olası yüzey terminasyonlarının bir ayırmak için kullanıldı. Elde edilen tek sonlandırıldı yüzeyler yüksek kristal kalitesi ve yüzey ve film arasında iyi tanımlanmış arayüzler ile Perovskite oksit ince filmlerin heteroepitaxial büyümesi için izin verir. İkinci yaklaşımda, keyfi yüzeylerde epitaksiyal film büyüme için tohum katmanları Langmuir-Blodgett (LB) nanosheets birikimi ile oluşturulmuştur. Model sistem Ca2 Nb de 3 O - 10 nanosheets bunların tabakalı ana bileşiğin delaminasyonu ile hazırlanabilir, kullanılanHCA 2 Nb 3 O 10. Nanosheets tohum tabakaları oluşturmak önemli bir avantajı, nispeten pahalı ve boyut sınırlı tek kristal alt-tabakalar hemen hemen herhangi bir alt-tabaka malzemesi ile ikame edilmiş olabilir.
Introduction
Çok sayıda araştırma epitaksiyel ince filmlerin ve malzeme bileşimi ve yapısı ayarlanması sureti ile elde edilebilir, çünkü fonksiyonel özelliklerinin geniş kompleks oksitler heteroyapıların gerçekleştirilir. Nedeniyle çeşitli büyüme tekniklerinin geliştirilmesine, günümüzde bileşimler ve toplu olarak ulaşılamazsa kristal özellikleri filmlerin geniş bir yelpazesi yapmak mümkündür. 1 birlikte, bu malzemelerin özelliklerinin yüksek ölçüde anizotropik olduğu gerçeği, bu yapar epitaksiyal filmler olaylar ve işlevleri toplu olarak elde edilmeyen gözlenmektedir. Bunun yanı sıra, epitaksiyel soyu ve heteroyapılarda oluşturulması yeni ya da geliştirilmiş özellikleri elde etmek için de kullanılabilir. 2.
Arzu edilen özelliklere sahip epitaksiyel filmler ve Heteroeklemler büyümesi için, iyi tanımlanmış bir yüzeye sahip alt-tabakalar gereklidir. Yüzey kimyası ya da morfolojisi Yerel farklılıklar homojen olmayan n nedenfilm içinde istenmeyen kusurları ve gren sınırlarında yol açar ucleation ve büyüme. Ayrıca, film ve alt-tabaka arasındaki arabirim, çünkü, sınırlı kalınlıkta özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Bu alt-tabakalar, atomik seviyede düzgün ve homojen olduğu gerekli olduğu anlamına gelir.
Bu kriter yüzeyler doğal örn iyi tanımlanmış yüzeyleri, diğer karmaşık oksitleri yok kullanıldığında ulaşmak zordur. Bu açıdan bakıldığında, Perovskite oksitler en çok çalışılan alt tabaka malzemelerden biridir. Perovskit oksitler, A ve B, metal iyonları için beklemeye olduğu genel formül ABO 3 ile temsil edilebilir. Hemen hemen tüm metaller ve böylece farklı alt tabakaların geniş bir yelpazede imal kolaylaştırır A veya B yer, dahil edilebilir. Alt tabaka malzemesinin çok yönlülüğü uygulamalı epitaksiyal ırkı bir ayarlama ile ayar bunun üstüne yetiştirilen filmin özelliklerini bir tane veriyorarayüzünde yapıyı d. Bununla birlikte, bu alt tabakalar üzerinde büyüme, (001) dönük alt tabakaların, özellikle görünür perovskit yüzeyinin belirsiz doğasına kolay değildir. (001) yönünde, perovskit AO ile BO 2 tabakalarının alternatif olarak görülebilir. Bir (001) yönlendirilmiş olduğu alt-tabaka daha büyük bir kristal bölünmesi ile yapılmış, her iki oksitler yüzeyinde bulunmaktadır. Kristal mükemmel (001) düzlemi boyunca bölünmüş asla olduğundan bu olgu. Şekil 1'de gösterilmiştir, birim hücre yükseklik farkı ile teraslar oluşan bir yüzey oluşturur. Bununla birlikte, yarım birim hücrenin yükseklik farkları yüzey terminasyonlarının her iki tip varlığını gösterir, hem de mevcuttur. Perovskit oksit filmlerinin büyümesi için özellikle gösterildiği gibi bu, homojen özelliklere sahip olan bir sürekli filmi büyümek için bir sona perovskit substratlar olması önemlidir. sonlandırma büyüme k büyük bir fark neden olabilirinetics, sürekli olmayan filmlerin büyüme açan 3 -. AO-B'O arayüzleri BO-A'O arayüzleri tamamen farklı özelliklere sahip olabilir çünkü 5 Dahası, istifleme sırası, tam film tabaka arayüzü arasında benzer olmalıdır. 6
Tek bir sona Perovskite oksit yüzeyi elde etmek ilk başarılı yöntem SrTiO 3 (001) odaklı yüzeyler için geliştirilmiştir. Kawasaki vd. 7, daha sonra Koster ve arkadaşları tarafından iyileştirilen bir ıslak aşındırma yöntemi getirmiştir. 8 yöntem tamponlu hidrojen florür kısa yakılmış ve ardından, su içinde oksit hidroksile ile asidik aşındırma karşı SrO duyarlılığının arttırılması oluşmaktadır (BHF). Kristalliğini artırmak için sonraki tavlama bir atomik pürüzsüz yüzeyi 2 mevcut olan sadece TiO vardı verir. Daha sonra, tek bir sona nadir toprak scandates elde etmek için bir yöntem tarafından geliştirilenbazik çözelti içinde scandates göre nadir toprak oksitleri yüksek bir çözünürlüğe kullanılmıştır. Bu yöntem özellikle DyScO 3 yönelik ortorombik (110) için tarif edilmiştir ve tamamen ScanDate sona yüzeyler elde etmek için mümkün olduğu gösterilmiştir. 3 ve DyScO 3 alt-tabakalar, bu tarif edilmiştir, bu, tek sona SrTiO elde etmek için 9,10 yöntem protokol.
Tek kristal perovskit substratların değeri olmasına rağmen, alternatif olarak, uygun bir kristal yapılar olmaksızın rasgele alt-tabakalar aynı zamanda epitaksiyel film büyüme için açık kullanılabilir. Başlarına epitaksiyel film büyüme için uygun olmayan alt-tabakalar nanosheets bir tabaka ile kaplamak suretiyle uygun bir şablon içine yapılabilir. Nanosheets böylece th epitaksiyal büyümesini doğrudan yeteneğine sahip birkaç nanometre arasında bir kalınlığa ve mikrometre aralığında 11 bir yanal boyutu ile, esas olarak iki boyutlu bir tek kristaller, veFilmlerde. Rasgele bir alt-tabaka üzerinde nanosheets tabakasının biriktirilmesi ile, bir tohum tabakası kafes parametreleri doğrultusunda herhangi bir film malzemesinin dönük büyüme için oluşturulur. Bu yaklaşım, yönlendirilmiş gelişimiyle başarılı rapor edilmiştir, örneğin ZnO, TiO2, SrTiO 3 LaNiO 3 Pb (Zr, Ti) O 3 ve SrRuO 3 12 - nanosheets nispeten yüksek fiyatlar boyut sınırlamaları kullanılarak 15. Düzenli bir kristal yüzeylerde önlenebilir ve nanosheets hemen hemen herhangi bir alt-tabaka malzemesi üzerine biriktirilebilmektedir.
Nanosheets genellikle ana bileşiğin kristal yapısı tarafından tespit edilen belirli bir kalınlığa sahip, ayrık tabakalar içine bir tabakalı ana bileşiğin delaminasyon sureti ile elde edilir. 11 Delaminasyon sulu bir ortamda elde edilir, hacimli ile ana bileşikte ara kat metal iyonlarını alışverişinde yapının ayrılmasına neden olan bir organik iyonları,şişirmek ve sonuç olarak tek katmanlı nanosheets içine delaminasyonu için. Bu karşı-yüklü organik iyonları ile çevrilidir yüklü nanosheets bir kolloidal dispersiyon ile sonuçlanır. Delaminasyon işleminin bir şematik temsilidir, Şekil 2'de gösterilmiştir, bu protokolde, Ca2 Nb 3 O - 10. Nanosheets bir model sistem olarak kullanıldı ve bu perovskit ana bileşik Yurttaşların 2 Nb 3 O 10 elde edilebilir. Ca 2 Nb 3 O 10 - nanosheets SrTiO 3 kişilerce hemen hemen eşit düzlem kafes parametreleri ve atomik pürüzsüz, tek sonlandırıldı yüzey görüntüler. Bu nedenle, yüksek kaliteli filmler, tek tek nanosheets ile yetiştirilebilir. Nanosheets sulu bir dağılım elde edildikten sonra, bu Langmuir-Blodgett (LB) birikimi ile rasgele bir alt-tabaka üzerinde biriktirilebilmektedir. Bu yöntem, yüksek kontrol edilebilirlik ile tek katmanlarda nanosheet birikimini sağlayan gBelediyeler tüzel oluşumlardır elektroforetik çökeltme veya pıhtılaştırma gibi diğer geleneksel teknikler ile elde edilemez. nanosheets çevreleyen 11 organik iyonlar yüzey-aktif moleküller ve dağılım yüzeyine difüze olma eğilimindedir, yüzer nanosheets bir tek tabaka oluşturmak. Bu tek tabaka yoğun ambalaj içine sıkıştırılır ve rasgele bir substrat üzerine biriktirilebilmektedir. Çökeltme işleminin bir şematik temsilidir, Şekil 3'te gösterilmiştir; % 95'in üzerinde bir yüzey kaplama genellikle 15 başarılabilir - 18 ve bu esas nanosheets istifleme veya kenarları üst üste olmadan oluşur. Çok katmanlı tekrar birikmesi ile elde edilebilir.
Bu protokol Ca 2 Nb 3 O 10 - nanosheets bir model sistem olarak kullanıldı, ancak epitaksiyal film büyüme için bir tohum katmanı olarak nanosheets kullanma prensibi daha yaygın uygulanabilir. Oksit nanosheets fazlasını alırsınız rağmenLiteratürde tohum katmanları olarak dikkat, kavram da böyle BN, GaAs, Tis 2, ZnS ve MGB 2 olmayan oksit nanosheets kadar uzatılabilir. Nanosheets da ana bileşiğin bir bileşim miras Bundan başka, çeşitli özellikleri ana gövdesinin uygun bir tasarım ile sokulabilir. Yönlendirilmiş film büyümesi için tohum tabakası olarak kullanımlarına ek olarak, nanosheets çok çeşitli temel malzeme özellikleri okuyan ve yeni, fonksiyonel yapıları mühendislik değerli bir araç olduğu kanıtlanmıştır 11,19 -. 22
Bu protokol epitaksiyal büyüme oksit ince filmlerin farklı şablon türleri elde etmek deneysel prosedürleri gösterir. arbiträr üzerinde nanosheet katmanları - Tam prosedürler nb Ca 2 imal etmek için 3 O 10 iyi tanımlanmış bir sona 3 ve DyScO 3 alt-tabakalar açıklanmaktadır SrTiO, hem de işlem elde etmek içinalt tabakalar y.
Protocol
1. atomik olarak pürüzsüz, Tekli Sonlu Yüzeyler
- Temizleme SrTiO 3 ve DyScO 3 substratlar
- Aseton (saflık% 99.5) ile dolu bir beher içinde alt tabakaların daldırın ve 10 dakika boyunca ultrasonik bir banyoda (UB) yerleştirin. Arasında alt tabakayı kurutma olmadan, etanol (saflık% 99.8) ile bu adımı tekrarlayın. Yüzeyden etanol damla üfleme örnekleri kurutmak için bir azot silah kullanın. Bu şekilde, etanol içinde mevcut olan parçacıklar kurutulduktan sonra yüzeyi üzerinde kalmayacaktır.
- Bir optik mikroskop ile yüzey kontrol edin. Etanol batırılmış bir mercek dokusu, yavaşça alt tabakayı ovularak herhangi bir artık parçacıkları çıkarın. Her zaman örnek kurutmak için bir azot silah kullanın. Yüzeye kadar adımı yineleyin 1.1.1 ve 1.1.2 parçacıklar içermez.
- DyScO 3 tedavi - tavlama
- Bir kuvars tekne temizliği substratları yükleyin ve 1000 & # temiz bir tüp fırında tavlama176 C 4 saat bir oksijen (150 mi / saat) akan.
- Bir optik mikroskop ile yüzey kontrol edin. Kir görünür ise, yüzeyi temizlemek için adım 1.1.2 açıklanan yordamı kullanın.
- DyScO 3 tedavi - BHF yüzey pürüzlendirme
- 40 ml deiyonize edilmiş (Di) su ihtiva eden bir 100 ml çanak içinde temiz yüzeyler daldırın ve 30 dakika için bir ub yerleştirin. Substratları taşımak için bir teflon tutucu kullanın.
- 40 ml Dİ su ile üç HF dirençli 100 mi beher doldurun. 40 ml etanol ile, bir 100 ml'lik beher. 40 ml% 12.5 tamponlu hidrojen florür ile bir HF dirençli beher doldurun (HF = 87.5: BHF, NH 4 F 12.5, pH = 5.5).
Not: Fanaticos çok tehlikeli bir asittir. Uygun önlemler alınmalıdır. - BHF içeren beher DI su ile beher gelen yüzeylerde taşıyan teflon tutucu aktarın. 30 saniye ub beher koyun.
- HF dirençli beher containi Teflon tutucu aktarınng DI su ve yavaşça yukarı ve aşağı hareket tutucu, 20 saniye batırmayın. Su dolu iki kap içinde bu işlemi tekrarlayın. Beher içeren etanol örnekleri ile tutucu bırakın.
- Tüm BHF içeren sıvının atınız.
- Bir nitrojen tabancası kullanılarak alt-tabakaların kurutun. Bir optik mikroskop ile yüzey kontrol edin. Kir görünmüyorsa, adım 1.1.2 tekrarlayın.
- DyScO 3 tedavi - NaOH seçici dağlama
- 40 ml 12 M NaOH (sulu) ile 100 ml'lik bir beher. Teflon tutucu kullanarak örnekleri daldırın ve 30 dakika boyunca bir ub beher yerleştirin.
- 40 mi, 1 M NaOH (sulu) ihtiva eden 100 ml'lik bir cam kaba örnekleri aktarın. 30 dakika ub koy.
- DI su ile üç beher ve etanol ile bir beher doldurun. Su ile ve son olarak etanol ile çanak içinde üç kap içinde daha sonra daldırarak örnekleri durulayın. Bir nitrojen tabancası kullanılarak numune kurutun.
- Bir optik microsco ile yüzey kontrolAdım 1.1.2 prosedürüyle, pe ve gerekirse temiz. DyScO 3 numuneler tek başına şimdi sonlandırılır.
- SrTiO 3 tedavi
- Adım 1.3 açıklandığı gibi BHF kullanılarak temizlenmelidir yüzeylerde etch. Bu adım, sadece yüzey pürüzlendirme adım olarak DyScO 3 için kullanılır ise, dikkat, SrO aşındırma bu adımda meydana gelir.
- 90 dakika boyunca bir oksijen (150 mi / saat) akan içinde 950 ° C de örnekleri yeniden birleşir. SrTiO 3 numuneler tek başına şimdi sonlandırılır. Adım 1.1.2 prosedürüyle, bir optik mikroskop ile yüzey kontrol edin ve gerekirse temizleyin.
Keyfi Yüzeyler 2. atomik Tanımlı Şablonlar
- Ca 2 hazırlanması Nb 3 O - 10 nanosheets
- 0.40 g / 100 ml 'lik bir konsantrasyon ile Dİ su HCA 2 Nb 3 O 10 tozu bir dispersiyon yapmak ve bir eklemetetra-bütil amonyum hidroksit eşit miktarda (TBAOH). Ebina ark bakınız. 23 katı hal Kca 2 Nb 3 O 10 toz sentezi ve protonasyonu için Yurttaşların 2 Nb 3 O 10.
NOT: TBAOH aşındırıcı olduğu; her zaman eldiven giymek ve dikkatle ele. - Yavaşça elle şişe sallamak ve 14 gün boyunca 30 Hz'lik bir sallanan çalkalayıcı üzerinde yatay olarak yerleştirin. Yavaş yavaş şişeyi yuvarlayarak Yağış bu 14 gün boyunca 5-6 kez yeniden dağıtmak.
- 0.40 g / L dağılımını seyreltin ve yavaşça tekrar sallayın. Bu büyük agregalar dispersiyon alt kısmına razı için kullanılmadan önce en az 24 saat süre ile bekletilir.
NOT: Toplu boyutu sürecini etkileyebilir. Burada, 100 ml ve 500 ml seyreltik gruplar ilk partisi iki polipropilen şişelerde, yapılmıştır.
- 0.40 g / 100 ml 'lik bir konsantrasyon ile Dİ su HCA 2 Nb 3 O 10 tozu bir dispersiyon yapmak ve bir eklemetetra-bütil amonyum hidroksit eşit miktarda (TBAOH). Ebina ark bakınız. 23 katı hal Kca 2 Nb 3 O 10 toz sentezi ve protonasyonu için Yurttaşların 2 Nb 3 O 10.
- Ca 2 Biriktirme Nb 3 O 10 nanosheets
NOT: donanım ve yazılım verimi çeşitli operasyonel ayarları çeşitli versiyonları. Tüm seçenekler için kurulum kılavuzuna başvurun.- DI su ile durulama ve her tarafı için en az 3 dakika yüksek enerji oksijen plazması ile temizleyerek Wilhelmy plakası temizleyin. Hemen ardından DI su içinde Wilhelmy plakası saklayın.
NOT: Birden fazla depolanmaları arda yapılır ise, Wilhelmy plakası oksijen plazması her zaman ile tedavi edilmesi gerekmez. - Langmuir-Blodgett çukur ve tekrar DI su ile durulama ve azot gazı ile kurutma, DI su ile durulama etanol ile fırçalayarak iki engelleri temizleyin. Kurulum titreşimlere karşı korumak için bir anti-vibrasyon masaya yerleştirilir, ve hava ve toz akan karşı korumak için depolanması sırasında kapalı bir kutuda olduğundan emin olun.
- Bir şırınga ile taze nanosheet dağılımının üst kısmından 50 ml alın ve yavaş yavaş yalak koydum. Emin olun çukur kenarları vebariyerler damlacıkların ücretsizdir.
NOT: Bir tevdi edilmesi için gerekli olan miktarı, oluğun büyüklüğüne bağlıdır. Su yüzeyi engelleri düzgün yüzey sıkıştırabilir emin olmak için, çukur kenarları biraz daha yüksek olması gerekir. - 15 dakika boyunca dağılım dinlensin.
- Sulu çözümleri ile uyumlu bir keyfi substrat seçin ve düzgün temizleyin. LB kurulum sahibine tabakayı takın ve bunu azot gazı ile son darbeyi verin.
NOT: atomik düz filmler atomik düz yüzeylerde yetiştirilen gerekir unutmayın. Bu raporda, Örnek verileri, 5 dakika için, yüksek enerjili 30 saniye ve oksijen plazma için etanol ile süper kritik CO2 bir jet temizlenmiş silikon alt tabakalar, elde edilmiştir. - Kurulum substrat tutucu takın. , Wilhelmy plaka almak çukurda daldırma ve dikkatle bahar ekleyin. Bir kağıt parçası ile plakanın telden damlacıkları çıkarın. </ Li>
- Bu nanosheet dağılım yüzeyine temas edene kadar, alt tabakayı indirin sıfıra yazılım yüksekliğini ayarlamak ve istenilen derinliğe kadar daha alt tabakayı indirin. Yüzey tutucu nanosheet dağılımını temas etmediğinden emin olun.
- Sıfıra yazılım yüzey basıncını ayarlayın ve 15 dakika boyunca dağılım dinlendirin. 15 dakika sonra yüzey basıncı genellikle 1 mN 2 / m ulaşır. Büyük sapmalar aşağıdaki birikimi kalitesiz gösterebilir.
- Tekrar sıfır ve 3.0 mm yavaş yavaş yüzey sıkıştırmak / dakikalık bir oran ile engelleri hareket çöktürme ilk aşamasını başlatmak için yazılım yüzey basıncını ayarlar. Yazılım hedef basınç değeri de adım 2.2.10 (yani, 20 mN / m) beklenen maksimum değerin üzerinde olduğundan emin olun.
- Yüzey basıncı ve yüzey alanının gelişimini izlemek. Basınç artışı önemli ölçüde yavaşlar ve basınç yaklaşımda kadar bekleyinmaksimum s. Bariyerler Wilhelmy plakası ulaşmak asla emin olun. maksimum basınç genellikle 15,0-18,0 mN / m ulaşır, ancak bu mutlak ne de sabit bir değer ne olduğunu.
- Hedef basınç ulaştığı değeri girin gerçek değerine kepçe yüksekliğini ayarlamak ve 1.0 mm / dk'lık bir oranı ile dispersiyondan alt-tabakanın geri çekilmesi çöktürme ikinci aşama başlar. Yüzey basıncını izleyin.
- Birikim bittiğinde, DI su ile durulayın ve tekrar DI su saklayın Wilhelmy plakasını sökün.
- Tamamen kuruduktan sonra substrat çıkarın.
- Çok katmanlı birikimi için, önceki katman organik artıkları ayrıştırmak. Bu, 30 dakika ya da 30 dakika boyunca ultraviyole ışıması ile bir mikrodalga fırını içinde 600 ° C'ye kadar ısıtılarak, örneğin yapılabilir. Adım 2.2.2 den protokol tekrarlayın, ancak azot gazı darbe ile başka yüzeyin temizliği değil.
- DI su ile durulama ve her tarafı için en az 3 dakika yüksek enerji oksijen plazması ile temizleyerek Wilhelmy plakası temizleyin. Hemen ardından DI su içinde Wilhelmy plakası saklayın.
Representative Results
Adım 1) SrTiO 3 ve DyScO 3 alt-tabakalar seçici aşındırma
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) tedavinin başarısı hakkında bir gösterge elde etmek için basit bir yoldur. Sadece 650 ° C (Şekil 4A) flaşlar olan bir SrTiO 3 alt-tabaka AFM görüntü, yüksek sıcaklıklara kadar kızdırma bir safhasının gerekliliğini gösteren kaba bir yüzey gösterir. Sürtünme görüntüde net kontrast yüksekliği görüntünün bir kesiti yarım birim hücre yükseklik farklılıkları yanı sıra, görülmektedir beri tavlı substrat (Şekil 4A-C) AFM veri açıkça, iki yüzey sonlandırmaları göstermektedir. Şekil 5 AFM gösterir TiO2 görüntüleri SrTiO Bu protokolde tarif edilen yönteme uygun olarak muamele edildi 3 alt-tabakaların, sona erdirildi. Büyük ölçekte, düz teras çıkıntılar (Şekil 5A) gözlenebilir. Daha küçük ölçekte,çok düzgün teraslar görülmektedir ve tek sonlandırıldı yüzeyler için beklendiği gibi teraslar arasındaki tek birim hücre yükseklik farkları, ölçülür. Küçük miscut açıları ile büyük teraslar, yani yüzeylerde, birim hücre derin delikler teras çıkıntıların (Şekil 5B) yakın görebilir. Bu delikler uzun tavlama süreleri kullanıldığında, lider yüksek miscut açıları (Şekil 5C) ile tek sonlandırıldı yüzeylerde benzer morfolojiye kaybolur. Bu deliklerin morfolojisi, hem de teras çıkıntıları morfolojisi, bir sonlandırma önemli bir göstergesidir. teras çıkıntıların yuvarlak bir biçim sergilemektedir tek sona yüzeylerde 24, delik, şekillendirilmiş daireseldir. Buna karşılık, keskin kenarlı teras çıkıntıları ve kare delikler çift sonlandırıldı yüzeylerde (Şekil 4B bakınız) görebilir.
Tek fesih başka göstergesi yansıması yüksek enerjili elektron Diffract görünürŞekil 6'da gösterildiği gibi. Alınan yüzeyler, çizgiler göründükleri gibi olan RHEED görüntülerde nedeniyle yüzeyin kötü kristalliğinden iyon (RHEED) görüntüleri. Kikuchi çizgileri ve keskin kırılma lekelerin ortaya ile görülebileceği gibi, oksijen ya da alt-tabakanın tam tedavisinde Tavlama işleminden sonra, yüzey daha fazla istenir. Bununla birlikte, tek bir sona alt tabakalar halinde kırılma noktaları, sadece tavlanır substratlara kıyasla daha küçüktür. Daha da önemlisi, (1x1) noktalar dışında, hiçbir ek noktalar çift sona yüzeylerde desenleri her zaman mevcut olduğu, görünür
DyScO 3 durumunda, bir tedavinin başarılı olup olmadığını görmek için çok daha zordur. Hiçbir fark RHEED tavlı çift sona yüzeylerde desen ve Şekil 7'de kimyasal sona SCO 2 tedavi alt tabakalar .10, farklı tavlı DyScO 3 substrat AFM görüntüleri arasında görülebilirs gösterilir. Farklı bağlantı uçları kolayca Şekil 7A-D görülebilir. Şekil 7E ve F tek sonlu alt tabakalar için beklenen morfolojisini örneğin, sadece 4, aşağıdaki basamakları görebilir. Bununla birlikte, karıştırılmış sonlandırma hala çok küçük ölçekte oluşabilir. Nedeniyle AFM sınırlı çözünürlük, farklı sonlandırmaları alanları açıkça görülebilir değildir. Tek sonlandırıldı yüzeylere göre hem yükseklik hem de faz görüntülerde yüksek yüzey pürüzlülüğü hem sonlandırmaları varlığının bir göstergesidir.
Tarama prob mikroskobu ve yüzey kırılma teknikleri tamamen tedavi başarısını belirlemek için yeterli değildir. İkinci fesih küçük bölgeler nedeniyle sınırlı çözünürlük teknikleri hem gozlemlenmistir olmayabilir. Bununla birlikte, bu küçük bölgeler, Şekil 8'de gösterildiği gibi, bir film kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. SrRuO çekirdeklenmesinin
Adım 2) Ca 2 birikmesi Nb 3 O 10 - keyfi yüzeylerde nanosheets
Nanosheet birikimi sırasında, yüzey basıncı değişikliği izlenebilir ve bu nasıl birikim ilerledikçe bir göstergesidir. Ilk yüzey alanı sıkıştırma ve nanosheets gerçek tevdi edilmesi sırasında yüzey basıncı tipik araziler, Şekil 9'da gösterilmiştir. Basınç, genellikle, bir artır için artardaha hızlı ambalaj yoğunluğu gibi nanosheets ve artar yüzer easingly yoğun ambalaj% 100 yaklaşır. Gerçek birikim yüzey basıncı maksimuma ulaşır ve bu basınç birikimi boyunca muhafaza edilecektir hemen önce başlamalıdır. Durumunda basınç maksimuma ve (biraz) çöker, bu yüksek sıkıştırma gücü birbirleriyle örtüşen ve (kısmi) yığınlar oluşturmak için bazı nanosheets kenarlarını neden olduğunu gösteriyor olabilir geçer. Sürece maksimum yaklaşım değil basınç olarak, nanosheets henüz yoğun bir ambalaj halinde düzenlenmiştir değildir. Gerçek birikimi sırasında, bariyerler yavaş yavaş nanosheet tek tabaka yerel reorganizasyon sağlamak için ileri ve geri hareket ve bu testere gibi basınç profili neden olur.
Nanosheets bir tek tabaka tipik bir AFM görüntüsü, Şekil 10 'de gösterilmiştir. Nanosheet yüzeylerinin pürüzsüz olan ve bitişik boşluklar yükseklik farkı 1.44 mil kristalografik kalınlığı yaklaşımlarkendi ana bileşiğin 11 katmanları - Ca 2 Nb 3 O 10. Nanosheets bir tek-tabakalı-dışı düzlem yönünde yönlendirilmiş (001) tam olarak bir, fakat nanosheets rasgele düzlem sipariş için rasgele düzlem konuma sahip bulunmaktadır. SrTiO 3 arasında bir ara tabaka ile nanosheets - kristal oryantasyon ve kalite göstermek için, Şekil 11, Ca 2 Nb 3 O 10 üzerinde büyümüş epitaksiyel SrRuO 3 bir elektron geri yansıma difraksiyonu (EBSD) görüntüsünü göstermektedir. film tüm nanosheets bir takım düzlem-dışı (001) yönelimi vardır ve tek tek nanosheets tek düzlem konuma sahip bulunmaktadır. Bu tür filmlerin yüzey morfolojisi atomik mükemmel nanoshe yüksek kaliteli film büyüme teyit sürekli yerlerinde 12 .The adım yükseklikleri nanosheet kalınlığında veya SrRuO 3 birim hücre yüksekliği ya karşılık Şekil AFM görüntü ile gösterilmiştirets. 3 film bu yaklaşım tarafından yetiştirilen epitaksiyal SrRuO özellikleri üzerinde uzun bir rapor için, Nijland ark bakın. 15
Bir küp Perovskite birim hücre Şekil 1. (A) şematik gösterimi. Metal iyonları, A ve B, sırasıyla, köşeler ve birim hücrenin merkezine yerleştirilmiştir. oksijen atomları B iyonu etrafında bir octahedron oluşturan, küpün yüzleri bulunur. (B) (001) şematik gösterimi Perovskite substrat odaklı. Nedeniyle bir miscut için, yüzey teraslar oluşmaktadır. Her iki bağlantı uçları, AO ve BO 2, yüzeyde bulunur. (C) tamamen BO 2 sona alt tabakanın şematik temsili. Bir DyScO 3 alt-tabakanın yüzeyi (D) AFM görüntü 1,000 tavlama işleminden sonra 6, 4 saat bekletilmiştir. teraslarda pürüzlülük hat profili (E), sadece 4 birim hücre adımlarda gösterildiği gibi, iki farklı yüzey son verme varlığının neden olduğu, ama aynı zamanda 2, bir yükseklik farkları de görülebilir. AC Kleibeuker uyarlanmıştır Şekıl ve diğ. 9 Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2. tek katmanlı nanosheets bir tabakalı ana bileşik. Kütleli molekülleri ile iyon değişimi delaminasyonu şematik tabakaları birbirinden ayrılmasının sağlanması, ara tabaka elektrostatik kuvvetler şişmeye yapının ayrılmasına neden olan ve azaltır.= "_ blank" olsun> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayınız.
LB yöntemiyle nanosheet birikimi Şekil 3 şematik temsili. Nanosheets dağılım yüzeyine doğru yüzer ve içe doğru hareket engelleri ile, yoğun bir ambalaj halinde sıkıştırılır. Alt tabaka daha sonra yavaş yavaş dağılma çekilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4,. 650 ° C flaşlar olan bir SrTiO 3 alt-tabaka (A) AFM görüntüsü. (B), AFM yüksekliği ve (C) sürtünmeBir çift sonlandırıldı SrTiO 3 substrat görüntü, (D) gösterilen AFM yüksekliği resmin çizgi profilinde görünür bitişik teraslar, kıyasla yarım birim hücre yükseklik farkı ile keskin kenarları ve teraslar adım gösteren. İki farklı sonlandırmaları sürtünme görüntüde net bir kontrast neden olur. Koster ark izni ile alınan Şekil. 8 Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 5. (AC) tek sonlandırıldı SrTiO 3 yüzeylerde AFM görüntüleri. (D) Sadece birim hücre yüksekliği farklılıkları gösteren (C) bir çizgi profili vardır. (B) daire birim hücre derin hol birini gösterir es düşük miscut açıları ile yüzeylerde teras çıkıntıları yakın görünür olan. Koster ve ark., 24 izniyle alınan Şekil bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayınız.
Şekil alınan SrTiO 3 alt-tabaka (B), bir alt-tabaka, tavlanmış ve (C) tek bir sona SrTiO 3 alt-tabaka olarak (A) 6. RHEED ve görüntüler. Koster ve ark., 24 izniyle alınan Şekil bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayınız.
/ 52.209 / 52209fig7highres.jpg "upload />
Şekil 7. Tavlı DyScO 3 yüzeylerde AFM görüntüleri. (AD) açıkça çift sonlandırıldı yüzeyleri göstermektedir. Bununla birlikte, morfoloji, substrat alt-tabaka arasında değişebilir. (E) ve (F) 'yüzeyleri, daha homojen bir nokta, sadece birim hücre yükseklik farkları ölçülebilir. Ancak, AFM çözünürlüğü ikinci fesih 25 küçük alanları ölçmek için çok düşük olabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
SrRuO Şekil 8. AFM görüntüleri 3 film. SrTiO 3 ve DyScO üzerine (A) filmleri 3 yüzeylerde büyüdü ve
hres.jpg "/>
Şekil ilk yüzey alanı sıkıştırma sırasında yüzey basıncı 9. Tipik araziler ve Ca 2 Nb gerçek birikim 3 O 10 -. Nanosheets bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayınız.
Şekil 10. Tipik AFM görüntüsü ve Ca 2 Nb bir tek tabaka hat profili 3 O 10 -. Bir silikon substrat üzerinde biriken nanosheets nanosheets pürüzsüz yüzeyler görüntüler. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
"Src =" / files / ftp_upload / 52.209 / 52209fig11highres.jpg "/>
. Nb 3 O 10 Ca 2 yetiştirilen epitaksiyal SrRuO 3 Şekil 11. EBSD görüntü - SrTiO 3 bir ara tabaka ile nanosheets filmin tüm nanosheets bir out-of-düzleminde (001) yönelime sahip ve tek bir in-düzlemi vardır Bireysel nanosheets üzerinde yönlendirme. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 12. Nb 3 O 10 Ca 2 yetiştirilen epitaksiyal SrRuO 3 AFM görüntüsü ve hat profili -. SrTiO 3 bir ara tabaka ile nanosheets sürekli parça yükseklikleri arasında nanosheet kalınlığı maç Adım1.4 nm ve 0.4 nm SrRuO 3 birim hücre yüksekliği. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Discussion
Tüm Perovskite oksit tabaka tedavilerinin en önemli yönü işin temizliktir. Tavlama sırasında istenmeyen reaksiyonlar kolayca yüzeye zarar verebilir ederken Yüzey kirlenmeler, alt tabakanın alanların aşındırma önler.
Farklı adımların sırası de önemlidir. Sonrası tavlama alt-tabakanın yüzeyine dökme istenmeyen Dy difüzyon nedeniyle, bu DyScO 3 tedavisinde, tavlama aşaması, dağlama aşamasından önce yapılmalıdır. 12 M NaOH çözeltisi içinde gravür sonra, 1 M çözelti, her zaman alt-tabaka yüzeyi üzerine disprosyum hidroksit bileşiklerin çökelmesini önlemek için kullanılmalıdır. Suda ıslatma SrO hydroxylize amacıyla SrTiO 3 tedavi için gereklidir. Bu şekilde, kısa aşındırma kez nedeniyle kontrolsüz aşındırma yüzeyin hasar görmesi önlenmektedir, ki kullanılabilir. Suya daldırılması DyScO halinde isteğe bağlı bir adımdır
Tavlama adımları yüzeyin kristal geliştirmek için gereklidir. DyScO 3 ve SrTiO 3 tedaviler için belirtilen tavlama süreleri ortalama, iyi tanımlanmış adım çıkıntıları yol, zamanlardır. Bununla birlikte, bazen, tavlama süresinin geniş teraslar, örneğin, düşük bir miscut açılı yüzeyler için yüksek olması gerekir. Artmış difüzyon uzunluğu sonra en uygun siteleri bulmak için yüzey atomları için gereklidir. SrTiO 3 durumunda, bir çok uzun tavlama süresi yüzeyine dökme Sr atomlu istenmeyen difüzyonu neden olabilir. Örnek sonuçlar bölümünde tarif edildiği gibi, ikinci sonlandırma düz basamak kenarları ve kare delikleri belirmesiyle yüzey morfolojisinde gözlenebilir. Bu durumda, yüzey işleme Cbir tekrar, ancak son tavlama aşaması, 30 dakika 26 için 920 ° C sıcaklıkta yapılmalıdır.
Bu protokolde tarif edilen yöntem (001) SrTiO 3 ve nadir toprak scandates en başarılı metod mevcuttur, ancak sadece bu alt tabakalar için geçerlidir. Bununla birlikte, diğer substratlar için yöntemler tam yüzey kimyasına ayarlanmalıdır. Diğer yönelimlere sahip alt tabakalar kullanılmaktadır, bu da gereklidir ya da bunun yerine B Alanı sonlandırma A-bölgesi arzu edilir. Mevcut tedaviler genel bir bakış Sanchez ve ark., 6 ve Schlom ark bulunabilir. 2
Nanosheets tohum katmanları ile ilgili olarak, sürecin hassas parçalar yüksek kaliteli nanosheet dağılımlarını elde etmek ve birikimi sırasında kirlenmesini önlemek için vardır. Hacimli organik iyonların eklenmesiyle, tek katmanlı nanosheets içine bir tabakalı ana bileşiğin Delaminasyon kolaylıkla meydana gelir fakat nanosheets topaklaşma eğilimidağılma ve agrega homojen mono tabakaları birikmesini engelleyecektir. Bu nedenle, bu dispersiyonun alt kısmını kullanmak için kullanımdan önce ve en az 24 saat süre ile geri kalan bir taze seyreltilmiş dispersiyonun bırakmak için çok önemlidir. Bu büyük agrega yerleşmek ve dağılımın üst kısmı nispeten saf hale gelecektir için zaman bırakır. Devam eden toplama sürekli dağılmasını düşer beri seyreltme tavsiye sonra, bir hafta içinde kullanın. Dağılım hacmi boyunca nanosheet konsantrasyonu meydana gelen degrade stok dağılımına alınan hacim yerel nanosheet konsantrasyonuna bağlı olarak, LB birikimi sırasında yüzey basıncı değerlerinde bazı farklılıklar neden olduğunu unutmayınız. Ayrıca, LB yerleştirme yüzey-aktif moleküllere dayanır ve böylece kirlenmeye veya hareket için çok hassastır. Kurulum ve Wilhelmy plakası dikkatli temizleme ve koruma ag (tercihen temizlik araçları ile bu kurulum sadece adanmış)ainst hava akışı ve titreşim çok önemlidir.
LB birikimi ile keyfi yüzeylerde nanosheets bir tohum katmanı oluşturma kavramı ince film büyüme alanında değerli bir araçtır. nanosheets ve atomik mükemmel yüzey prensipte yüksek kaliteli epitaksiyal filmler, kafes parametreleri ile eşleşen herhangi bir film malzemesi verir. Nanosheets hemen hemen herhangi bir alt-tabaka malzemesi üzerine tatbik edilebilir ve bu şekilde diğer maddeler, nispeten pahalı ve boyut sınırlı tek kristal tabakaları yerini alabilir. LB yöntem, genel olarak elektroforetik çökeltme veya pıhtılaştırma gibi diğer geleneksel teknikler ile elde edilemeyen yüksek bir kontrol edilebilirlik ile mono tabakaları birikmeyi nanosheet sağlar. Bununla birlikte, 11, tıkanıklık tohum tabakasının mükemmel derecesine sahiptir. Geniş alanlar üzerinde yüksek film kalitesi, fonksiyonel cihazlar ve bugüne kadar güvenilir uygulama için gerekli olan, bu sağlanamamıştır. Ile nanosheets yatırmak içinkendi içinde düzlem yönünü kontrol etmek için mükemmel bir kapsama alanı ve tercihen de alandaki başlıca sorunlardır. Bununla birlikte, sanatın mevcut durumu zaten araştırma değerli bir araç olduğunu kanıtlamıştır.
Acknowledgments
Bu eser mali bir VIDI hibe yoluyla Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (NWO) tarafından ve TOP ve ECHO programları çerçevesinde Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (NWO-CW) Kimyasal Bilimler bölümü tarafından desteklenmektedir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| tetra-n-butyl ammonium hydroxide (40 wt% aq) | Alfa Aesar | L02809 | corrosive |
| Langmuir Blodgett setup (include trough, barriers, Wilhelmy plate, frame etc.) | KSV NIMA | see catalogue behind link for multiple options | http://www.ksvnima.com/file/brochures-2/ksvnimallbaccessoryandmodules 23-8-2013.pdf |
| Buffered hydrogen fluoride (NH4F:HF = 87.5:12.5) | Sigma Aldrich | 40207 | Hazard statements: H301-H310-H314-H330, precautionary statements: P260-P280-P284-P301 + P310-P302 + P350-P305 + P351 + P338 |
| NaOH (reagent grade) | Sigma Aldrich | S5881 | Hazard statements: H290-H314, precautionary statements: P280-P305 + P351 + P338-P310 , product purchased as pellets, the 12 and 1 M solutions should be made from these pellets. |
| Tube furnace (Barnstead 21100) | Sigma Aldrich | Z229725 | |
| STO and DSO substrates | CrysTec GmbH, Germany | www.crystec.de, size used 5 x 5 x 0.5 mm3 |
References
- Schlom, D. G., Chen, L. -Q., Pan, X., Schmehl, A., Zurbuchen, M. A. A Thin Film Approach to Engineering Functionality into Oxides. J. Am. Ceram. Soc. 91 (8), 2429-2454 (2008).
- Schlom, D. G., Chen, L. -Q., et al. Elastic strain engineering of ferroic oxides. MRS Bulletin. 39 (2), 118-130 (2014).
- Rijnders, G., Blank, D. H. A., Choi, J., Eom, C. -B. Enhanced surface diffusion through termination conversion during epitaxial SrRuO3 growth. Appl. Phys. Lett. 84 (4), 505 (2004).
- Bachelet, R., Sánchez, F., Santiso, J., Munuera, C., Ocal, C., Fontcuberta, J. Self-Assembly of SrTiO3 (001) Chemical-Terminations: A Route for Oxide-Nanostructure Fabrication by Selective Growth. Chem. Mater. 21 (12), 2494-2498 (2009).
- Kuiper, B., Blok, J. L., Zandvliet, H. J. W., Blank, D. H. A., Rijnders, G., Koster, G. Self-organization of SrRuO3 nanowires on ordered oxide surface terminations. MRS Communications. 1 (1), (2011).
- Ocal, C., Fontcuberta, J. Tailored surfaces of perovskite oxide substrates for conducted growth of thin films. Chem Soc Rev. 43 (7), 2272-2285 (2014).
- Kawasaki, M., Takahashi, K., et al. Atomic Control of the SrTiO3 Crystal Surface. Science. 266 (5190), 1540-1542 (1994).
- Koster, G., Kropman, B. L., Rijnders, G. J. H. M., Blank, D. H. A., Rogalla, H. Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide. Appl. Phys. Lett. 73, 2920 (1998).
- Kleibeuker, J. E., Koster, G., et al. Atomically Defined Rare-Earth Scandate Crystal Surfaces. Adv. Funct. Mater. 20 (20), 3490-3496 (2010).
- Kleibeuker, J. E., Kuiper, B., et al. Structure of singly terminated polar DyScO3 (110) surfaces. Physical Review B. 85, 165413 (2012).
- Ma, R., Sasaki, T. Nanosheets of oxides and hydroxides: Ultimate 2D charge-bearing functional crystallites. Adv Mater. 22 (45), 5082-5104 (2010).
- Shibata, T., Ohnishi, T., et al. Well-Controlled Crystal Growth of Zinc Oxide Films on Plastics at Room Temperature Using 2D Nanosheet Seed Layer. J. Phys. Chem. C. 113 (44), 19096-19101 (2009).
- Shibata, T., Fukuda, K., Ebina, Y., Kogure, T., Sasaki, T. One-Nanometer-Thick Seed Layer of Unilamellar Nanosheets Promotes Oriented Growth of Oxide Crystal Films. Adv Mater. 20 (2), 231-235 (2008).
- Kikuta, K., Noda, K., Okumura, S., Yamaguchi, T., Hirano, S. Orientation control of perovskite thin films on glass substrates by the application of a seed layer prepared from oxide nanosheets. J. Sol-Gel Sci. Technol. 42 (3), 381-387 (2007).
- Nijland, M., Kumar, S., et al. Local control over nucleation of epitaxial thin films by seed layers of inorganic nanosheets. ACS Appl Mater Interfaces. 6 (4), 2777-2785 (2014).
- Li, B., Osada, M., et al. Engineered Interfaces of Artificial Perovskite Oxide Superlattices via Nanosheet Deposition Process. ACS Nano. 4 (11), 6673-6680 (2010).
- Osada, M., Akatsuka, K., et al. Robust high-K response in molecularly thin perovskite nanosheets. ACS Nano. 4 (9), 5225-5232 (2010).
- Li, B. -W., Osada, M., Akatsuka, K., Ebina, Y., Ozawa, T. C., Sasaki, T. Solution-Based Fabrication of Perovskite Multilayers and Superlattices Using Nanosheet Process. Jpn. J. Appl. Phys. 50 (9), (2011).
- Osada, M., Sasaki, T. Exfoliated oxide nanosheets: new solution to nanoelectronics. J. Mater. Chem. 19, 2503 (2009).
- Geim, A., Novoselov, K. The rise of graphene. Nat Mater. 6, 183-191 (2007).
- Zhang, H., Loh, K. P., et al. Surface modification studies of edge-oriented molybdenum sulfide nanosheets. Langmuir. 20 (16), 6914-6920 (2004).
- Manga, K. K., Zhou, Y., Yan, Y., Loh, K. P. Multilayer Hybrid Films Consisting of Alternating Graphene and Titania Nanosheets with Ultrafast Electron Transfer and Photoconversion Properties. Adv. Funct. Mater. 19 (22), 3638-3643 (2009).
- Ebina, Y., Sasaki, T., Watanabe, M. Study on exfoliation of layered perovskite-type niobates. Solid State Ionics. 151 (1-4), 177-182 (2002).
- Koster, G., Rijnders, G., Blank, D. H. A., Rogalla, H. Surface morphology determined by (001) single-crystal SrTiO3termination. Physica C: Superconductivity. 339 (4), 215-230 (2000).
- Kuiper, B. Size effects in epitaxial oxide thin films [PhD thesis]. , University of Twente. (2014).
- Boschker, H. Perovskite oxide heteroepitaxy [PhD thesis]. , University of Twente. (2011).
