Vekst og elektrostatiske/kjemiske egenskaper av metall/LaAlO₃/SrTiO₃ Heterostructures

Summary

Vi dikte metal/LaAlO₃/SrTiO₃ heterostructures med en kombinasjon av pulsed laser avsettelse og i situ magnetron sputtering. Gjennom magnetotransport og i situ X-ray photoelectron spektroskopi eksperimenter undersøker vi samspillet mellom elektrostatisk og kjemiske fenomener kvasi todimensjonal elektron gassen i systemet.

Abstract

Kvasi 2D elektron systemet (q2DES) som danner på grensesnittet mellom LaAlO₃ (LAO) og SrTiO₃ (STO) har tiltrukket seg mye oppmerksomhet fra oksid elektronikk samfunnet. En av egenskapene kjennetegn er eksistensen av kritiske LAO tykkelse på 4 enhet-celler (uc) for interfacial ledeevne å dukke. Selv om elektrostatisk mekanismer har vært foreslått tidligere å beskrive eksistensen av denne kritiske tykkelse, har viktigheten av kjemiske defekter nylig fremhevet. Her beskriver vi veksten av metall/LAO/STO heterostructures i en ultra-høy vakuum (UHV) klyngesystem kombinerer pulsed laser avsetning (å vokse LAO), magnetron sputtering (å vokse metall) og X-ray photoelectron spektroskopi (XPS). Vi studerer trinnvis dannelsen og utviklingen av q2DES og kjemiske interaksjoner som oppstår mellom metall og den LAO/STO. I tillegg belyse magnetotransport eksperimenter transport-og elektronisk egenskapene til q2DES. Denne systematisk arbeid ikke bare viser en måte å studere elektrostatisk og kjemiske samspillet mellom q2DES og dets miljø, men også låser muligheten til par multifunksjonelle lokkpåsettingsmaskiner lag med rik fysikken i todimensjonale elektron systemer, slik at fabrikasjon av nye enheter.

Introduction

Kvasi 2D elektron systemer (q2DES) har vært mye brukt som en lekeplass for å studere en rekke lav-dimensjonale og quantum fenomener. Starter fra banebrytende papiret på LaAlO₃/SrTiO₃ system (LAO/STO)¹, et utbrudd av forskjellige systemer som vert nye interfacial elektronisk faser er opprettet. Kombinere forskjellige materialer førte til oppdagelsen av q2DESs med tilleggsegenskaper, som elektrisk felt tunable spinn polarisering², ekstremt høy elektron mobilities³ eller ferroelectricity-kombinert fenomener⁴. Selv om en enorm kropp av arbeidet er dedikert til å løse etablering og manipulering av disse systemene, har flere eksperimenter og teknikker vist motstridende resultater, selv i ganske likt. I tillegg ble balansen mellom elektrostatisk og kjemiske interaksjoner funnet for å være viktig å riktig forstå fysikk på spille^5,6,7.

I denne artikkelen vi grundig beskriver veksten av ulike metall/LAO/STO heterostructures, bruke en kombinasjon av pulsed laser avsetning (PLD) og i situ magnetron sputtering. Så, for å forstå effekten av ulike overflaten forholdene i den skjulte q2DES på LAO/STO grensesnittet, en elektronisk og kjemiske studie utføres, med transport og elektron spektroskopi eksperimenter.

Siden flere metoder har tidligere blitt brukt til å vokse krystallinsk LAO på STO, valg av riktige deponering teknikker er et viktig skritt for fabrikasjon av høy kvalitet og heterostructures (i tillegg til mulig kostnad og tid begrensninger). I PLD treffer en intens og kort laser puls målet for ønsket materialet, som er så ablated og blir avsatt på underlaget som en tynn film. En av de store fordelene med denne teknikken er muligheten til å overføre pålitelig støkiometri av målet til filmen, et sentralt element for å oppnå ønsket fase dannelsen. Videre evnen til å utføre lag-på-lag vekst (overvåking i sanntid med refleksjon strømkrevende elektron Diffraksjon - RHEED) av et stort antall komplekse karbonoksider, muligheten for å ha flere mål inne i kammeret på samme tid ( tillater veksten av ulike materialer uten å bryte vakuum) og enkelheten av denne teknikken en av de mest effektive og allsidige.

Likevel, andre teknikker som molekylær strålen epitaxy (MBE) tillater veksten av enda høyere kvalitet epitaxial vekst. I stedet for et mål av et bestemt materiale, i MBE er hver bestemt element sublimed mot underlaget, hvor de reagerer med hverandre for å danne veldefinert atomic lag. I tillegg lar fravær av svært energiske arter og mer ensartet energi distribusjon fabrikasjon av svært skarpe grensesnitt⁸. Denne teknikken er imidlertid mye mer kompleks enn PLD når det kommer til vekst av oksider, siden det må utføres i ultrahøy vakuum forhold (slik at langt mener gratis banen ikke er ødelagt) og krever vanligvis en større investering, pris - og time-wise. Selv om vekstprosessen brukes i første LAO/STO publikasjonene var PLD, har prøver med lignende egenskaper blitt dyrket av MBE⁹. Det er også verdt å merke seg at LAO/STO heterostructures har vokst bruker sputtering¹⁰. Selv om atomically skarpe grensesnitt ble oppnådd ved høye temperaturer (920 ° C) og høy oksygen Press (0,8 mbar), var interfacial ledningsevne ikke oppnådd.

Veksten av metallisk capping lag, bruker vi magnetron sputtering, da det gir en god balanse mellom kvalitet og fleksibilitet. Andre kjemiske damp deponering basert teknikker kan imidlertid bli brukt for å oppnå lignende resultater.

Til slutt, kombinasjonen av transport og spektroskopi teknikker viste i denne artikkelen illustrerer systematisk av verifiserer både elektronisk og kjemiske interaksjoner, understreker viktigheten av crosschecking måter å forstå de mange funksjonene i disse typer systemer.

Protocol

Merk: Alle 5 trinnene som er beskrevet i denne protokollen kan stoppet og startet på nytt når som helst med enkelt betingelse som prøven holdes under høyvakuum fra trinn 3.4 til 5.

1. STO(001) substrat avslutning:

1. Fyll en ultrasonisk renere (med en 40 kHz svinger) med vann og varme den til 60 ° C. Fyll et Borosilikatglass beaker med aceton. Uavhengig av kanne størrelsen, må du fylle det med minst 20% av sin maksimalt volum, slik at substrater også senkes.
   1. Plass en ute av boksen blanding-terminert enkelt-side polert (001)-orientert STO én-krystall underlaget (55 mm² i laterale størrelse, 0,5 mm tykkelse, miscut vinkel mellom 0,01 ° og 0.02 °) inne Borosilikatglass begeret.
   2. Sonicate substratet i aceton for 3 min. tørr underlaget med en nitrogen slag pistol med en driftstrykk ca 5 bar.
2. Gjenta trinn 1.1, men bruke isopropanol og deretter vaskebuffer vann.
3. Plass ren underlaget i prøven innehaver av polyvinylidene fluorid, PVDF, med en "dipper" form (figur 1en). Fyll et andre Borosilikatglass beaker (figur 1b) med kjører deionisert vann.
   Merk: Begeret bør være stort nok slik at prøven abonnenten passer i den.
4. Plass underlaget i prøven holderen.
5. Iført passende beskyttelse, fylle et beger (figur 1b), vanligvis laget av Polytetrafluoroethylene, PTFE, ca 20% av sin maksimalt volum, med en bufret hydrogenfluorid (HF)-løsning (HF:NH₄F = 1:7). Bruke omtrent samme størrelse begeret som i trinn 1.3.
6. Senk eksempel holderen i HF for nøyaktig 30 s og umiddelbart flytte den til det deionisert vannet å stoppe eventuelle etterfølgende kjemiske reaksjoner. Rist den lett.
7. Etter 2 min, fjerne prøven holderen fra deionisert vann. Ta ut underlaget og tørke den med en nitrogen slag pistol.
   Merk: Mer informasjon finnes i Kawasakis oppskrift¹¹.
   Forsiktig: HF løsningen er svært etsende og giftige. Alltid utføre manipulasjon og kassering av brukte HF løsninger i riktig arbeidsmiljøer. Symptomer på forgiftning etter kontakt med en kroppsdel kan begynne å vises opp til dagen etter eksponering og kan ikke forårsake smerter i de første timene. Det er også mulig å bruke en alternativ oppsigelse prosess basert på en HCl-HNO₃ sur løsning¹² eller en syre-fri oppsigelse oppskrift¹³.
8. Sett inn underlaget i et rør ovn (figur 1c) på 20 ° C. Sett ovnen delvis presset til ca 1 atm oksygen. Rampen temperaturen til 1000 ° C med en hastighet på 20 ° C/min. Anneal substrater i 3 timer på 1000 ° C. Etter 3 timer, la prøve kjøle ned 20 ° C. Fjerne underlaget. Lukk oksygen kilden.
9. Gjenta trinn 1.1 fjerne etterfølgende overflaten forurensing forfremmet under avspenning.

2. forberedelse av én-krystall LAO målet:

1. Mekanisk polsk et én-krystall LAO mål (1-tommers diameter) forsiktig med sandpapir og isopropanol løsning som et smøremiddel. Tørke den med en nitrogen slag pistol.
2. Montere målet i en karusell.
   Merk: Pass på at karusellen tillater målet rotasjon.
3. Sett karusellen loadlock kammeret (figur 2). La målet degas i vakuum, mens kontinuerlig pumping kammer (før den når trykket i området 10^-8 mbar). Overføre karusellen til PLD chamber (Figur 3et og 3b). Vent til base trykket er i området 10^-9 mbar.
   Merk: I fravær av en loadlock kan kammer og i vacuo overføring systemet, typisk ventetid og base press bli alvorlig påvirket.
4. Se på laseren energi med en excimer laser energi meter. Vil du bruke en rektangulær slit (6 x 16 mm) og en ekstern demperen rett etter laser kilden for å modulere form og energien i strålen (Figur 4en og 4b). Plass energi måleren inne forbindelsesveien av laserstrålen, mellom andre konvergerende linsen og vinduet kvarts. Deretter skyte laser på en vilkårlig frekvens og lese energien bruker energi meter.
5. Angi energi til å være den samme (eller marginalt høyere) som brukes under vekst (trinn 3.12).
   Merk: Absolutte verdier av laser energi kan variere avhengig av geometrien i oppsettet. Men for LAO målrette ablasjon, bruke en laser fluence ca 1 J/cm² (fluence = energi/spot område). Også bruke en pulserende Kr.f excimer laser av bølgelengde λ = 248 nm, med karakteristiske puls varighet på 25 ns og drives minst 21 kV (for forbedret puls-til-pulse reproduserbarhet).
6. Rotere LAO målet på ca 10 rpm (med rotasjon plattform carrousel, der målet er montert).
   1. Tilpasse målet rotasjonshastigheten til størrelsen og laser gjentakelseshastigheten å unngå to påfølgende overlappende skudd, kan føre til noen lokal overoppheting eller smelting av målet og påfølgende av støkiometri. En visuell beskrivelse finnes i Figur 4c.
7. Sett inn oksygen i kammeret til en oksygen delvis presset av 2 x 10^-4 mbar er oppnådd. Fjerne energi måleren. Pre ablate LAO målet på 3 eller 4 Hz til 20000 pulser.
   Merk: Laser bør defineres slik at vinkelen mellom strålen og målet er 45° (Figur 4d). Denne relativt lang ablasjon av LAO single-målet ble funnet for å ha en avgjørende rolle i LAO/STO prøve å sample reproduserbarhet.

3. PLD vekst:

1. Utføre en atomic force mikroskopi (AFM) skanning av tidligere avsluttede STO substrat overflate å bekrefte oppsigelse, morfologi og renheten (figur 5).
2. Bruker sølv lim, lim underlaget, med avsluttede overflaten peker oppover, en eksempel holder. Selv om retningen av underlaget ikke er relevant, sørg for at den er plassert i midten av abonnenten (figur 6en).
3. Varme den opp til ca 100 ° C i 10 min slik at løsemiddelet fordamper og lim stivner (for optimal varmeledning). La prøven abonnenten avkjølt.
4. Sett inn prøven holderen inne i loadlock. Bruke armen i klyngen, overføre eksempel abonnenten til XPS chamber analysere oksygen, karbon og Titan toppene (se trinn 5 for mer informasjon).
5. Overfør eksempel abonnenten til PLD chamber, underlaget vender ned mot LAO målet (figur 6b).
6. Sett inn oksygen inne i kammeret å nå en oksygen delvis presset av 2 x 10^-4 mbar. Heve temperaturen på prøven abonnenten 730 ° c (ved 25 ° C/min).
7. Bruker reflekterende høy energi elektron Diffraksjon (RHEED), justere elektronstråle på beite vinkel (mellom 1° og 3°) med underlaget overflaten slik at Diffraksjon flekker er observert på skjermbildet fosfor. Overvåke i sanntid intensiteten av hver spot benytter en CCD kamera og bildet analyseprogramvare. Bruke en kilden spenning på 30 kV og strøm av 40 µA.
8. Plass prøven holderen 63 mm fra målet.
   Merk: Målet-å-underlaget avstanden kreve en viss grad av optimalisering avhengig av geometrien av PLD brukes.
9. Skyte laser for å kalibrere energi slik at det passer ca 1 J/cm² (på samme måte som i trinn 2.4). Igjen, bruk en rektangulær slit (6 x 16 mm) og en ekstern demperen rett etter avkjørselen laser til å modulere form og energien i strålen (Figur 4en og 4b).
10. Angi laser frekvensen til 1 Hz. stopp skyting laser og fjerne energi måleren.
11. Start rotasjon av LAO målet (samme måte som i trinn 2.6). Starte RHEED svingninger lesing. Vent til det stabiliserer.
12. Begynne å skyte laser. Observere plume (figur 6c) og RHEED svingninger (figur 6d). Stopp laser på toppen av en av oscillation avhengig av ønsket tykkelse.
    Merk: Husk at hver oscillation representerer en enhet-cellen (uc) vokst. For dette eksperimentet, vokse 1 og 2 uc for transport og spektroskopiske eksperimenter, henholdsvis.
13. Etter vekst er ferdig, nedleggelse RHEED pistolen og videre til post annealing trinn.
    Merk: Etter annealing trinnet utføres rett etter veksten er ferdig.
    1. For å starte etter annealing, øke oksygen delvis trykket i kammeret fra 2 x 10^-4 mbar (vekst trykk) til 1 x 10^-1 mbar og redusere temperaturen på prøven abonnenten 730 ° C (vekst temperatur) til 500 ° C.
    2. Når temperaturen og trykket er stabilisert, innføre et statisk oksygen delvis Trykk på ca 300 mbar, mens utvalg holder temperaturen på 500 ° C. La prøven i disse forholdene for 60 min.
14. Avkjøl prøven ved 25 ° C/min mens du holder den i samme oksygen delvis presset til den når romtemperatur.
15. Overføre prøven til XPS chamber å undersøke mulige valence endringer i Titan toppen eller relativ La/Al konsentrasjonen (se trinn 5 for mer informasjon).
16. Å sikre at LAO overflaten holdes uberørte, overføre i eksempel i vacuo til sputtering chamber (figur 7en), som er holdt hele tiden ved trykk i området 10^-8 mbar.
    Merk: Utfører disse eksperimentene ex situ vil føre til opphopning av CO2 og vann på overflaten som forandret resultatet.

4. magnetron Sputtering av metallisk Overlayers:

Merk: Avhengig av ønsket metall, for eksempel Ar press, kan deponering strømninger og mål-å-underlaget avstander variere noe. Det anbefales å optimalisere hver deponering prosess avhengig av geometrien av sputtering brukes. Følgende fremgangsmåte beskriver avsetning av 3 nm av co

1. Plass prøven med overflaten vender ned mot målet.
2. Sett inn ren Ar inne i sputtering kammeret for å oppnå en atmosfære av om 4.5x10^-4 mbar (ca 100 sccm).
3. Plasser underlaget (LAO/STO) ca 7 cm fra Co målet.
4. Med lukkeren er lukket, rampen gjeldende til ca 100 mA (36 W) slik at plasma er antent.
5. Med en stabil plasma (figur 7b), lavere gjeldende til 80 mA (deponering gjeldende) samt tilførsel av Ar til 5,2 sccm. Sikre at plasma forblir stabil.
6. Pre Dale Co målet for om 5 min å fjerne alle oksidert lag som kan ha dannet på overflaten.
7. Prøven ved romtemperatur, åpne skodde og depositum for 25 s. Lukk lukkeren å konkludere avsetning.
   1. For transport eksperimenter, setter du inn et etterfølgende lokkpåsettingsmaskiner lag med ca 3 nm i Al (hvis overflaten passivates, danner en AlOx beskyttende lag ved eksponering til luft) å hindre oksidasjon av underliggende metallisk lag.
      Merk: Veksten er ikke målt direkte inne i kammeret. For dette, kan du vokse forskjellige prøver med forskjellige deponering ganger mens du bruker de samme parametrene. Deretter måle tykkelsen på hvert utvalg bruker X-ray reflectometry. Gjøre denne fremgangsmåten en gang for hvert metallisk mål brukes.
8. Rampen gjeldende ned til null, lukker Ar kilden og pumpe kammeret.
9. Overføre igjen prøve abonnenten til XPS chamber (Figur 8en) å inspisere mulig valence endring på Ti 2 p nivået, samt en mulig oksidasjon på metal/LAO grensesnittet (se trinn 5 for mer informasjon).

5. i Situ X-ray Photoelectron spektroskopi:

1. Plass prøven med overflaten normal justert parallell elektron analyzer aksen (Figur 8b).
2. Tilnærming X-ray pistol så nært som mulig til prøven (unngå mekaniske kontakt mellom slutten av pistolen og prøve innehaveren å hindre skade) og slå den på.
   1. I dette eksperimentet, kan du bruke en Mg Kα kilde med en magnetisering av 1253.6 eV. Angi filament å oppnå en utslipp strøm av 20 mA med en anode spenning på 15 kV. Om analyzer elektron-optikk, velger du en inngang slit 2 mm diameter og utgang slit med rektangel 5 x 11 mm.
      Merk: Se i håndboken for XPS brukes for informasjon om maksimal utslipp strømmer og anode spenninger. Også kan størrelsen på inngang og utgang slips være forskjellig for andre bestemt oppsett. Hvis analysatoren har forskjellige spesifikasjoner, Velg åpninger i en måte å unngå for høy intensitet i elektron telling enheten.
3. Etter dreier X-ray pistolen, kontroller at kammeret er ultra-høy vakuum forhold (10^-10 mbar område). Samle til undersøkelsen spectra (mellom 0 og 1200 eV binding energi) med en valgte trinn av 0,05 eV, gangen bor på 0,5 s, en pass energi mellom 30 og 60 eV og en tilstrekkelig linsemodus for å oppnå den minste størrelse mulig. Juster verdiene avhengig av oppløsningen ment.
   1. Finn plasseringen av relevante toppene (Figur 8c). For bedre statistikk, måle hver topp flere ganger og gjennomsnittlig spectra samlet.
4. Analysere spectra med tilstrekkelig XPS prosessering programvare.
   1. For å identifisere elektroner fra en gitt overgang, definerer du en energi-område som består av toppen å analysere.
   2. Opprett en passende bakgrunn kurve (vanligvis en Shirley bakgrunn¹⁴) og trekke det fra de opprinnelige dataene.
   3. Bruk referanser¹⁵, finne mulige toppene som utgjør målt toppen. Betal spesiell oppmerksomhet til ordnet avstander og relativ intensiteter for forskjellige topper.
      Merk: En mer i dybden se på XPS data samlet tilbys i "Representant resultater" delen samt i Ref.⁷.

6. Magnetotransport eksperimenter:

1. Bruker en ultralyd kile-binding maskin, wire-bond metal/LAO/STO prøven med Al eller Au ledninger å kontakte begravet grensesnittet ( figur 9en).
   Merk: Velg en passende kile å sample avstand, kraft og tid, avhengig av oppsettet brukes og hvilken transport måling holderen.
2. Bruke en 8-tråds geometri (4 i van der Pauw - kanal 1 - og 4 i Hall geometri - kanal 2-). Vil starte ved å kontakte en av kanalene av transport måling holderen på de fire hjørnene på utvalget i van der Pauw geometri. Deretter kontakte andre kanal til kontakter tidligere gjort i utvalget (figur 9b).
3. Sjekk Hvis kontaktene er bra ved å måle motstanden med et multimeter. For å sikre at prøven er uniform, kontroller du at motstanden måles i ulike retninger er omtrent det samme, slik at van der Pauw R₁₀₀≈R₀₁₀ betingelsen oppfylles.
   Merk: Hvis R₁₀₀ og R₀₁₀ signifikant forskjellig, skal van der Pauw målingen utføres i begge retninger (etter Ref.¹⁶). Tidligere studier rapporterer sterk Anisotrop elektrisk transport egenskaper i LAO/STO¹⁷.
4. Montere holder i en Transportoppsett.
   1. Måle motstanden (kanal 1) til 2 K.
   2. Ved lav temperatur sourcing mål sekvensielt magnetoresistance (kanal 1) og Hall effekten (kanal 2) ved å feie en ekstern og vinkelrette magnetfelt (fra-9 til 9 T), en strøm av vanligvis 10 til 100 µA for metall/LAO/STO prøver.
   3. Gjenta trinn 6.4.2. for 5 K, 10 K, 50 K, 100 K, 200 K og 300 K, for å observere magnetoresistance utviklingen med temperaturen.

Representative Results

Full eksperimentelle systemet brukes for vekst og karakterisering er vist i figur 2. Har forskjellige oppsett koblet i UHV gjennom en distribusjon kammer anbefales sterkt å sikre at overflaten av prøven etter hver vekstprosessen holdes uberørt. PLD kammer (Figur 3), magnetron sputtering (figur 7) og XPS kammer (Figur 8) er også beskrevet i detalj. Ytterligere informasjon om den optiske banen i PLD oppsettet vises i Figur 4en og 4b (tilpasset fra Ref.¹⁸). Vi oppmerksom på at vilkårene omtales i protokollen for hver teknikk kan variere avhengig av den nøyaktige geometrien av hvert kammer, typen mål brukes eller utstyr.

Vi bekreftet atomically flat og ren STO flater, før veksten, gjennom atomic force mikroskopi (AFM), som vist i figur 5en. En "trinn og terrasse" som struktur med enkeltenhet trinn cellehøyden er dokumentert på grunn av miscut vinkel i forhold til (001) fly retning. Alle prøver ble dyrket på underlag med trinn størrelse på ca 250 nm (for en miscut vinkel mellom 0,01 og 0.02°) og trinn høyde mellom 2,5 og 5 nm. Både LAO og metall filmer reprodusere overflaten morfologi av lagene under, som vist i figur 5b.

Under PLD vekst genereres en plume gjennom prosessen med ablating arter fra målet mot underlaget, som vist i figur 6c. For en oksygen delvis trykk av 2 x 10^-4 mbar, plume har en lys lilla farge og er ikke svært lyse. Merk at intensiteten og fargen på skyen er avhengige tungt på oksygen press, fluence og type målet materiale brukes. Endre fluence var tidligere vist endre La/Al kationisk forhold, som kan til slutt føre til en modulering av interfacial drive egenskaper^19,20. Også brukes RHEED overvåking til å sikre lag-på-lag vekst. Typisk RHEED data er vist i figur 6d for en 2 uc vekst av LAO på STO.

En XPS analyse av nakne STO underlaget tillater oss å bekrefte at fravær av tilleggsfunksjoner i oksygen toppen, vanligvis til stede vedlagte vann og hydrogen molekyler (Figur 8d), samt en svært liten mengde adsorbert karbon . Varme-prosessen brukes under PLD veksten normalt reduserer fjerner/disse funksjonene. En analyse utført på en LAO/STO utvalg avslører utseendet til La og Al topper og en ekstra intensitet reduksjon av Ti og Sr topper, på grunn av demping introdusert av LAO filmen. Merk at Al toppene er neppe viser en undersøkelse skanning, siden bare 1 uc av LAO ble avsatt. Til slutt, en XPS analyse utført etter metall deponering viser klart demping av alle topper kommer fra den LAO/STO. Som vi diskutere videre, gir analyse av toppene tilknyttet avsatt metallet oss informasjon om tilstanden oksidasjon. Alle undersøkelsen spectra adressert vises i Figur 8c.

Transport eksperimenter utføres ved lav temperatur (2K) bruker en 8-tråds geometri (4 ledninger for tverrgående mål) og 4 ledninger for Hall målinger, som vist i figur 9en og 9b. Målene på målskissen viser påfallende ulike virkemåter avhengig av metallisk capping lag valgt. Lao(2 UC)/STO prøver avkortet med edle metaller som Au, Pt eller Pd viste en lineær Hall spor med en endring i motstand av noen titalls mΩ over 9 T (figur 9c). Imidlertid tilsvarende prøver avkortet med reaktive metaller som Ti, Ta, Co, Ni₈₀Fe₂₀ og Nb (2,5 nm) viste signaturer av en 2DES, nemlig S-formet Hall spor (figur 9d). Vi konkludere med at fra en transport synspunkt, LAO/STO prøver nedenfor 4 uc kritiske tykkelsen (som under vanlige forhold er isolerende) danner en interfacial q2DES hvis en reaktiv metall legges på toppen. Capping med edle metaller fører til et isolerende grensesnitt, der bare metal laget er oppdaget (se figur 9c og rammemargen i figur 9d). Faktisk er disse resultatene konsistente med teoretisk forutsigelse utføres på lignende heterostructures²¹. De synes å støtte at for metaller med lavere arbeid funksjoner (φ) elektron overføring mot STO foretrukket, som forklarer hvorfor for Au avkortet prøver det er ingen 2DES oppdaget, men for Co og Ta avkortet transportøren tetthet er ca 3 x 10¹³ og 4 x 10¹³ cm^-2 (Merk at Φ_Ta< Φ_Co< Φ_Au) en mer grundig analyse av dette transportere data kan finnes i delene metoder i Ref.⁷.

Selv om en elektrostatisk tilnærming virker helt beskrive dette systemet, må kjemiske reaksjoner vurderes^22,23,24. Ved å sette inn en svært reaktive metall som Ta på LAO/STO, oksygen tendens til å spre mot metall slik at den starter å oksidere. To ting er sett fra en XPS synspunkt (Figur 10en): først ulike Ta oksid topper vises (Figur 10b) og funksjonen for metalliske Ta (helt eller delvis) undertrykkes; andre på grunn av ytre oksygen diffusjon, oksygen stillinger form på overflaten av perovskite, slik at elektronene er utgitt til gitteret. Ti atomer i STO kan deretter vert noen av disse elektroner derfor danner en q2DES. Følgelig endres valence staten Ti fra 4 + til 3 + som gir opphav til en tilleggsfunksjon på nedre binding energi side av Ti peak (se Figur 10c og 10 d). Analyse av Ti^{3 +} kan da være korrelert med antall operatører i q2DES²⁵.

Vinkel-avhengige studier kan også gi verdifull informasjon om dybden profilen. Hvis elektron takeoff vinkelen er 90° (overflate normal parallelt med elektron analyzer aksen) så det maksimale volumet er analysert. Når takeoff vinkelen reduseres (skråstilt utvalget) vil elektroner fra samme dybde reise større avstander, slik at det totale volumet målt reduseres. En vinkel-avhengige studie vises rammemargen i Figur 10d. Merk at ved å endre vinkelen fra 0 til 50° omtrent samme Ti^{3 +} intensitet er observert, betyr at q2DES regionen strekker seg mer som det XPS-maksimalt sondering dybde (av om 5nm). Disse resultatene klart viser betydningen av oppbakking transport eksperimenter med elektron spektroskopi og omvendt. Mer om analysen se Ref.⁷.

Figur 1 : Brukt materialer for STO substrat oppsigelse. (a) PTFE beaker for HF og Borosilikatglass beaker for deionisert vann. (b) PVDF eksempel holderen med "dipper" form. Legg merke til at begge kanner bør være store nok slik at dipper passer inni seg. (c) Tube ovn til anneal substrater etterlønn. Tre Termostater kontrollere temperaturen i tre ulike posisjoner i ovnen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2 : Komplett oppsett. Alle oppsett, inkludert pulsed laser deponering kammer, magnetron sputtering og X-ray photoelectron spektroskopi, er tilkoblet via en klynge som tillater for eksempel overføring uten å bryte vakuum (10^-9 mbar område). Et eksempel er utgangspunktet satt inn i loadlock og ventilen som kobler den til klyngen er åpen. En arm i klyngen er deretter kunne plukke opp utvalget og flytte den til noen av oppsett nevnt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3 : Pulsed laser deponering systemet. (a) utvendig av PLD chamber. Selv om det ikke er synlig, er fosfor skjermen og kameraet brukes til å overvåke RHEED diffracted elektronene bak kammeret, justert med RHEED pistol. (b) interiør av PLD chamber. Målet karusellen tillater lagring av 5 forskjellige mål inne i kammeret samtidig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4 : Optikk for PLD systemet. (a) strålen avslutter laser og umiddelbart redusert gjennom et slit. Variabel-demperen gir kontroll av stråle energi uten varierende kilde laser parameterne. To konvergerende linser brukes deretter til å fokusere strålen på målet. (b) detaljert skisse av optisk apparater (endret Ref.¹⁸). (c) for å unngå to påfølgende skudd på samme sted, som kan overopphetes målet, målet rotasjon er programmert slik at den følger mønsteret viste. Laser starter ved ablating ytterste kurven (sti nummer 1). Etter gjør halv en rotasjon (90°) fortsetter å ablate langs banen nummer 2. Etter en annen 90° flyttes til sti nummer 3, og så videre. På slutten av banen nummer 6 går tilbake til sti nummer 1. (d) laser ablasjon, på 45 °, genererer en sky som utvider vinkelrett til målet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5 : Atomic force mikroskopi av (a) en STO substrat brukes for veksten av (b) en Co (2nm) LAO(2 uc)/STO prøve. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6 : Veksten av LAO ultra tynne filmer (a) STO substrat montert på en underlaget med sølv lime. (b) interiør av PLD chamber. En infrarød laser brukes lokalt varmer den tilbake-siden av prøven holderen. x- og y plassering styres gjennom knotter på utsiden av kammeret. (c) karakteristisk plume dannet etter ablating LAO målet med en enkelt stråle puls, på 2 x 10^-4 mbar av oksygen. (d) typisk RHEED svingninger og Diffraksjon flekker. For konsistens, overvåking utføres alltid på (0-1) Diffraksjon stedet, plassert i den gule stiplede boksen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7 : Magnetron sputtering systemet. (a) utvendig av sputtering chamber. (b) interiør av sputtering chamber. AR atomer er akselerert mot metall målet, ligger inne i vises sylinderen og montert på en dc-magnetron kilde, dermed generere en plasma. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8 : X-ray photoelectron spektroskopi systemet. (a) utvendig av XPS chamber. Slippes ut elektroner angi overføring linsen av analysator. Der er de tilbakestående/akselerert å matche analyzer pass energien før analysatoren selv og samles til slutt av elektron detektoren. En preamplified signal sendes deretter til optiske mottakeren før den forsterker og datamaskinen. (b) interiør av XPS chamber. X-ray pistolen kan trekkes slik at plassering av prøven holderen. (c) typisk undersøkelsen skanningen utført på en bare STO substrat, en LAO(1 uc)/STO og en Co/LAO(1 uc)/STO. Merk utviklingen av toppene. Ti og Sr toppene er gradvis svekket som øverste laget tykkelse øker. La og knapt synlig Al topper vises etter LAO vekst. Tillegg av en ultra-tynne lag (3 Å) av Co attenuates raskt alle andre toppene. (d) zoomet O 1s peak (STO substrat). Merk at en svært liten hale er observert på høy binding energi siden av toppen, signalisering liten adsorpsjon av vann og karbon molekyler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9 : Transport egenskapene til metall/LAO/STO heterostructures. (a) Wire liming av et eksempel på en (b) 8-tråds geometri (4-wire for Hall motstand og 4-wire for langsgående motstand) skisse. Denne geometri gir både Hall og magnetoresistance, sekvensielt sourcing mellom de to kanalene, men i en enkelt måling kjøre. Hall motstanden R_xy som en funksjon av anvendt vinkelrett magnetfelt µ₀H i LAO(2 uc)/STO prøver avkortet med (c) edle metaller og (d) reaktive metaller. Rammemargen viser en skjematisk krets etter wire bånd, der R_M og R_q2DES representerer den langsgående motstand og V_{H, M} og V_{H, q2DES} Hall spenning generert i hvert lag. Dette tallet har blitt endret fra DC Vaz et al. ⁷. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10 : X-ray photoelectron spektroskopi av Ta/LAO/STO heterostructures. (a) skjematisk skisse av måling utført. Photoelectrons fra X-ray eksitasjon bærer informasjon både den LAO/STO og metall/LAO grensesnittet. (b) The Ta 4f spectra informerer på oksidasjon nivå av metallisk capping brukes. Til spectra kan utstyres med forskjellige Ta oksid topper, indikerer at 100% av metall laget har oksidert over oksid heterostructure. (c) montering Ti 2 p toppen med to komponenter, tillater 4 + og 3 +, oss å trekke Ti^{3 +}/Ti^{4 +} intensitet forholdet 20%. (d) Spectra samlet på Ta/LAO/STO samples (i rødt) på Ti 2 p nivå viser en ekstra (Ti^{3 +}) skulderen på lavere binding energi, forbundet med ekstra elektroner vert på interfacial Ti atomene. I tillegg viser rammemargen den svake vinkel-avhengigheten av Ti^{3 +} funksjonen, avslører at utvidelsen av q2DES dannet på LAO/STO grensesnittet er større enn den maksimale elektronet sondering dybde. Dette tallet har blitt endret fra DC Vaz et al. ⁷. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Under substrat oppsigelse, bør man være ekstremt forsiktig med submerging tid i HF løsning. Vi observerte under - og over - etched overflater av varierende bare 5 s med hensyn til den opprinnelige oppskriften. I tillegg, observerte vi en avhengighet mellom substrat steg størrelse og submerging tid. For mindre trinn størrelser (mindre enn 100 nm) submerging 30 s kan føre til over etsing, selv om etterpå annealing prosedyren kan være tilstrekkelig til å rekonstruere riktig overflaten. På grunn av risikoen ved å bruke HF basert syrer, anbefaler vi også optimalisering av en HCl-HNO₃ sur løsning oppsigelse¹² eller en syre-fri oppsigelse teknikk¹³ som skal føre til samme resultat.

Om veksten av LAO, vi anbefaler bruk av én krystall mål for å unngå den mulige fortrinnsrett ablation bestemt arter, som kan oppstå for eksempel i keramiske/sintret mål. I vårt tilfelle førte prøver vokst med en keramisk målet isolerende prøver, mest sannsynlig grunn av støkiometri av voksen filmer²⁰. 20000 pulser pre ablasjon trinnet beskriver vi kan virke altfor lenge, men vi observerte at egenskapene transport svekkes ekstremt raskt av med utsikt over dette trinnet. Pre ablating med mindre enn 10000 pulser gjentatte ganger viste isolerende LAO/STO grensesnitt. Som forventet fra PLD vekst anbefaler vi dessuten ikke for å vokse på underlag større enn 10 x 10 mm i laterale størrelse. 4-punkts elektrisk undersøkelser på ulike regioner av disse 10 x 10 prøver viste liten inkonsekvenser sannsynlig på grunn av støkiometri problemer i prøver hjørnene. Vi også oppmerksom på at alle prøvene var vokst med midten av skyen justert loddrett med underlaget. Oksygen Press (lavere enn 10^-2 mbar) og på grunn av lav mål-underlaget avstanden, ablated arter reise i et ballistisk regime, som også kan rettferdiggjøre hvorfor fluence benyttet påvirker så drastisk egenskapene til interfacial ledningsevne¹⁹.

Siden laser energi måling utføres utenfor kammeret og laser inngangen vinduet blir belagt over tid, noe som gir et tap på overføring, veilede vi oss ved å målrette en verdi for konstant vekst i stedet. Etter ca 15 vekster, kan vinduet være opp til 20 mJ fra energi målt utenfor. Optimalisert veksten for LAO ble funnet for å være ca 25 pulser/enhet-cellen for vår bestemte PLD vekstprosess, tilsvarende en (utenfor) energi av 60 mJ.

RHEED svingninger målt under vekst er svært følsomme for fine posisjonering av underlaget. Nøyaktig samme vekstprosess kan resultere i betydelige forskjellene i RHEED svingninger intensiteter. Vi anbefaler å bruke samme plassering parametere og undersøkelser de samme Diffraksjon stedene for hver vekst. Vi har vokst alle våre overvåking bare (01) Diffraksjon sted, siden dette stort sett viser elastisk spredning hendelsene at elektronene gjennomgå på crystal overflaten, mens (00) stedet kan ta litt ekstra uønskede bakgrunnsinformasjon på uelastisk spredning hendelser²⁶. TEM bildebehandling viste god ensartethet og bekreftet, sammen med standard X-ray Diffraksjon, riktig tilsvarende antall LAO enhet celler.

Til slutt, som nevnt i innledningen, fabrikasjon av LAO/STO strukturer er vellykket oppnådd PLD eller MBE. Både teknikker krever en høy grad av optimalisering, vi anbefaler følgende: MBE bør brukes når grensesnittet kvaliteten er avgjørende for eksperimentet, som det gir høy kvalitet heterostructures med en stor kontroll av lagtykkelse og svært lav defekt konsentrasjon⁸. Likevel, det har lavere deponi priser og innebærer en større investering.

PLD gir derimot også mulighet til å lage høykvalitets prøver. Den har fordeler av å være allsidig (tillater flere mål inne i kammeret samtidig), kostnadseffektiv, rask (vekst kan vare mindre enn 2 minutter) og konseptuelt enkel. Siden det er basert på ablation høy energi arter mot et kan det imidlertid føre til en litt større konsentrasjon av defekter. Som et eksempel vises en sammenlignende studie av LaNiO₃/LaAlO₃ heterostructures vokst av PLD og MBE Ref.²⁷. Merk også at mens MBE er implementert før til storskala deponering av ulike materialer, PLD nå vurderes også som en mulig kandidat for industrielle applikasjoner²⁸.

Om sputtering avsetning, vi understreke at forskjellige metaller har forskjellige wetting atferd på oksid underlag²². Vurdere å øke tykkelsen tilsvarende for å oppnå full dekning. Filmer under noen nm i tykkelse resultere i ikke-percolated filmer. Utføre SEM karakterisering etter avsetning å bekrefte god ensartethet.

Tregere deponi priser og mindre energisk innkommende arter også anbefales å fint kontrollere filmens tykkelse og unngå mulig gjennomtrengning av freste arter i utvalget. En kan øke målet-underlaget avstanden og/eller redusere plasma excitation gjeldende gjør.

Om XPS målingene, siden målingene er utført i situ, det er ingen elektrisk forbindelse mellom metallisk overlayer (eller q2DES) og prøve holder. Dette betyr at lading effekter vil være alvorlig grunn isolerende av STO underlaget. Derfor anbefaler vi ikke konkludere på plasseringen av de innsamlede topper, siden de kan være flyttet flere eV. Det er også kjent at metaller pleier å skjermen elektroner ganske effektivt slik at en 1 nm metallisk capping kan allerede hemme sondering andre begravet lag. Ekstra kompensasjon av en flom pistol kan bidra til å unngå peak skiftende og deformasjon. I vårt tilfelle var topp deformasjon ubetydelig siden vi brukte en ikke-monokromatisk X-ray kilde gir nok videregående elektroner.

Vinkel-avhengige studier kan også gi verdifull informasjon om dybden profilen. Hvis elektron takeoff vinkelen er 90° (overflate normal parallelt med elektron analyzer aksen) så det maksimale volumet er analysert. Når takeoff vinkelen reduseres (skråstilt utvalget) vil elektroner fra samme dybde reise større avstander, slik at det totale volumet målt reduseres. Man er da i stand til, for eksempel vurdere tykkelsen på en q2DES gjennom en valence staten dybde-avhengige analyse, som tidligere ble vist for LAO/STO heterostructures²⁵.

Vi har også bringe oppmerksomhet til flere topper sett i undersøkelsen spectra. Hvis utvalgsstørrelsen er mindre enn oppdaget området av elektron analysator, lim spor av sølv på grensen av prøven og arten avsatt på underlaget innehaveren, som La eller Al, er samlet inn. Merk at disse artene vil, i noen grad, lide forskjellige lading effekter, som fører for eksempel til utseendet på dobbel topp funksjoner. Dette kan lett løst ved at inngangen slit reduseres for elektron samling og øke holdetiden (for høyere elektron teller).

Samlet selv om instruksjonene i denne artikkelen tjener som en veiledning til å vokse LAO ultra tynne filmer, viser de generiske måte å vokse de fleste ABO₃ perovskites med PLD. Selv om hvert materiale krever bestemte trinn for optimalisert ønsket struktur, elektro, eller magnetiske egenskaper, bør man være spesielt oppmerksomme på noen viktige funksjoner: type og sammensetningen av det målet²⁹, oksygen delvis press under vekst og avspenning^30,31, substrat temperatur, ablasjon frekvens og laser fluence^19,32 og typen av underlag (og tidligere overflatebehandling).

Gjennom en kombinasjon av transport og spektroskopi eksperimenter er vi også kunne tegne et mer nøyaktig og komplett bilde av et komplekst system der fange samspillet mellom elektrostatisk og kjemiske fenomener er viktig å forstå den iboende mot ytre doping mekanismer. Vi gjentar at på grunn av deres sterkt korrelert karakter, disse komplekse oksid systems er svært følsomme for små støkiometri og elektroniske endringer slik at deres omfattende studie krever forskjellige komplementære i situ og ex situ teknikker.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.