복합 산화물 박막의 에피 택셜 성장을위한 원자 적으로 정의 된 템플릿

Chemistry
 

Summary

각종 절차는 복합 산화물 박막의 에피 택셜 성장을위한 원자 정의 된 템플릿을 준비하기 위해 설명되어 있습니다. 단결정 된 SrTiO3 3 (001) 및 (3)의 DyScO 화학적 처리는 (110) 기판은 원자 적으로 매끄러운 표면 단일 말단을 수득 하였다. 칼슘이 Nb를 3 O (10) - 나노 시트는 임의의 기판에 원자 적으로 정의 된 템플릿을 만드는 데 사용되었다.

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Dral, A. P., Dubbink, D., Nijland, M., ten Elshof, J. E., Rijnders, G., Koster, G. Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films. J. Vis. Exp. (94), e52209, doi:10.3791/52209 (2014).

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Abstract

원자 적으로 정의 된 기판 표면은 복합 산화물 박막의 에피 택셜 성장을위한 필수 조건이다. 이 프로토콜에서 두 가지 방법은 표면이 설명되어 얻었다. 첫 번째 방법은 하나의 말단 3 페 로브 스카이 된 SrTiO3 (001) 및 DyScO 3 (110) 기판의 제조이다. 어닐링 단계는 표면의 평활성을 증가시키기 위해 사용 된 습식 에칭을하는 동안, 선택적으로 두 개의 가능한 표면 종단들 중 하나를 제거하기 위해 사용 하였다. 얻어진 단일 종결 표면은 높은 결정 품질과 기판과 막 사이의 잘 정의 된 인터페이스를 갖는 페 로브 스카이 트 산화물 박막의 헤테로 에피 택셜 성장을 허용한다. 두 번째 방법에서, 임의의 기판에 에피 택셜 막을 성장을위한 시드 층은 랭 뮤어 - 블로 젯 (LB) 나노 시트의 증착에 의해 만들어졌습니다. 모델 시스템이 칼슘 Nb를 3 내지 10 O - 나노 시트가 적층 그들의 모 화합물의 박리에 의해 제조, 사용 된HCA 2 Nb를 3 O (10). 나노 시트에 시드 층을 생성하는 주요 장점은 상대적으로 비싸고 제한된 크기의 단결정 기판을 거의 모든 기판 물질로 대체 될 수 있다는 것이다.

Introduction

많은 연구는 에피 택셜 박막 및 재료의 조성 및 구조를 조정함으로써 얻어 질 수 있기 때문에 기능적 특성의 광범위한 복합 산화물의 헤테로 구조에 대해 수행된다. 인해 여러 성장 기술의 발달로, 요즘 조성물 및 대량으로 도달 할 수없는 결정 자질을 가진 필름의 넓은 범위를 만드는 것이 가능하다. 하나 함께 이들 재료의 특성은 고도의 이방성 있다는 사실이 있음을 만든다 에피 택 필름 현상 및 기능을 대량으로 획득되지 않은 관찰된다. 또한, 에피 택셜 스트레인과 헤테로 구조의 생성은 새로운 또는 향상된 특성을 얻기 위해 사용될 수있다. (2)

원하는 성질을 갖는 에피 택셜 필름과 헤테로 구조를 성장시키기 위해, 잘 정의 된 표면을 갖는 기판이 요구된다. 표면 화학 또는 형태의 지역 차이가 불균일 N의 원인영화에서 원하지 않는 결함과 결정립계에 상승을 제공 ucleation과 성장. 또한, 필름과 기판 사이의 계면으로 인해 필름의 두께가 제한의 특성을 결정하는데 중요한 역할을한다. 이 기판은 원자 수준에 부드럽고 균일 한 것을 필요하다는 것을 의미한다.

이러한 기준은 예를 들어 기판이 자연적으로 잘 정의 된면, 다른 복합 산화물이없는 것을 사용하는 경우 달성하기 어렵다. 이러한 관점에서, 페 로브 스카이 트 산화물이 연구의 대부분의 기판 재료 중의 하나이다. 페 로브 스카이 트형 산화물 및 B는 금속 이온 방치하는 ABO 일반 식 (3)으로 나타낼 수있다. 대부분의 금속은 서로 다른 것이 가능 광범위한 기판을 제조 할 수있다 또는 B 사이트에 통합 될 수있다. 기판 재료의 범용성인가 택셜 스트레인을 조정하여 조정 그 위에 성장 된 필름의 특성을 하나 허용계면 구조를 좋아. 그러나, 이러한 기판에 성장으로 인해 (001) 중심의 기판에 특히 볼 수있는 페 로브 스카이 트 표면의 모호한 성격 간단하지 않다. (001) 방향으로는 티탄 석 AO BO 및 (2)의 교호 층으로 볼 수있다. (001) 배향 된 기판의 클 리빙 큰 결정으로 제조되는 경우, 두 산화물 표면에 존재한다. 완벽한 결정 (001)면을 따라 절단 한 적이 있기 때문에 이런 현상이.도 1에 도시되고, 단위 셀의 높이 차이로 계단식 이루어진 표면 형태. 그러나, 반 유닛 셀의 높이 차이는 표면 종단 두 유형의 존재를 나타내는,도 존재한다. 페 로브 스카이 트 산화물 막들의 성장을위한, 특히 도시 된 바와 같이 그것은 균질 한 특성을 갖는 연속적인 필름을 성장시키기 위해 단일 ​​종단 페 로브 스카이 기판을 갖는 것이 중요하다. 종단 성장 K에서 큰 차이가 발생할 수있다inetics는, 비 연속 필름의 성장으로 이어지는 3 -. AO-B'O 인터페이스 BO-A'O 인터페이스보다 완전히 다른 특성을 가질 수 있기 때문에 5는 또한, 적층 순서는, 완전한 필름 기판 인터페이스에서 유사해야합니다. (6)

단일 종단 페 로브 스카이 트 산화물 표면을 얻기 위해 성공적인 제 3 방법 된 SrTiO3 (001) 배향의 기판을 위해 개발되었다. 가와사키 등. (7)은 나중에 코스터 등에 의해, 개선 된 습식 에칭 방법을 도입했다. (8)에있어서 버퍼링 된 불화 수소 짧은 에칭 한 후, 물이 산화 hydroxylating하여 산성 에칭쪽으로의 SrO 감도를 증가 이루어져 (BHF). 결정 성을 증대에 후속 어닐링은 원자 적으로 매끄러운 표면 2가 존재하는 경우에만 티오 수득 하였다. 나중에, 단일 종단 희토류 scandates을 수득하는 방법이 개발 한 것염기성 용액 scandates에 비해 희토류 산화물의 높은 용해도를 사용. 이 방법은 특히 DyScO 3 배향 사방 정계 (110)에 대해 설명하고, 그것이 완전히 scandate 종결 표면을 얻을 수 있음을 도시 하였다.도 3 및 DyScO 3 기판이 설명된다 이러한 단일 종결 된 SrTiO3를 얻기 9,10 방법 프로토콜입니다.

단결정 기판 페 로브 스카이 트의 값이지만, 대안 적으로, 적절한 결정 구조가없는 임의의 기판은 또한 에피 택셜 필름 성장에 명확한 사용될 수있다. 스스로 에피 택셜 필름 성장에 부적합하다 기판은 나노 시트의 층으로 덮어서 적합한 템플릿으로 할 수있다. 따라서 나노 시트 번째의 에피 택셜 성장을 지시 할 수있는 능력을 소유한다 몇 나노 미터의 두께 및 11 마이크로 미터 범위의 가로 치수와 본질적으로 이차원 단결정이며영화에서. 임의의 기판 상에 나노 시트의 층을 증착함으로써, 시드 층은 격자 파라미터와 일치하는 임의의 막 재료의 성장 방향에 대해 생성된다. 이러한 접근 방식은의 지향 성장 성공적인보고되었다 예컨대 된 ZnO, 이산화 티탄, 된 SrTiO3 3 LaNiO 의해, Pb (Zr, Ti) O 3 및 SrRuO 3~12 - 나노 시트, 상대적으로 높은 가격과 크기 제한을 사용함으로써 15. 정규 단결정 기판을 회피 할 수 있고, 나노 시트는 거의 모든 재료를 기판 상에 증착 될 수있다.

나노 시트는 일반적으로, 모 화합물의 결정 구조에 의해 결정된 특정 두께와, 그 불연속 층으로 적층 모 화합물의 박리에 의해 얻어진다. (11) 박리가 수성 환경에서 달성 될 수있는 부피를 가진 모 화합물의 층간 금속 이온을 교환함으로써 구조를 일으키는 유기 이온,팽창 궁극적으로 단일 층 나노 시트로 박리합니다. 이 카운터 충전 유기 이온에 의해 둘러싸여있다 부과 나노 시트의 콜로이드 분산을 초래한다. 박리 공정의 개략도는도 2에 도시되는 본 프로토콜, CA이 Nb를 3 O 10 -. 나노 시트는 모델 시스템으로 사용하고, 이러한 페 로브 스카이 트, 모 화합물의 HCA이 Nb를 3 O (10)로부터 얻을 수있다. 칼슘이 Nb를 3 O (10) - 나노 시트가 된 SrTiO3 3의 것과 거의 동일 평면 격자 매개 변수를 가지고 아주 매끄러운, 단일 종료 표면을 표시합니다. 따라서, 고품질의 필름의 개별 나노 시트 상에 성장 될 수있다. 나노 시트의 수성 분산액이 얻어지면, 그들은 랑뮈에 - 블로 젯 (LB) 법에 의해서, 임의의 기판 상에 증착 될 수있다. 이 방법은 높은 제어 성의 단층 나노 시트의 증착을 가능하게한다는 generally는 전기 영동 증착 또는 응집과 같은 다른 종래의 기술에 의해 달성 될 수 없다. 나노 시트 (11)를 둘러싸는 유기 이온 계면 활성 분자이고 분산액의 표면으로 확산하는 경향이 부동의 단층 나노 시트를 작성. 이 단분자막은 밀집로 압축하고 임의의 기판 상에 증착 될 수있다. 증착 프로세스의 개략도가도 3에 도시되고; 95 % 이상의 표면에 따르면 일반적으로 달성 15 - 18이 주로 나노 시트 또는 적층 가장자리를 겹치지 않도록 발생한다. 다층막 성막을 반복함으로써 얻어 질 수있다.

본 프로토콜 칼슘 Nb를 2 O 3 10 - 나노 시트는 모델 시스템으로 사용되었지만, 에피 택셜 막 성장을위한 시드 층으로 나노 시트를 사용하는 원리는 더욱 광범위하게 적용될 수있다. 산화물 나노 시트는 더받을 수 있지만문헌에서 시드 층으로서 관심이 개념은 물론 예컨대 BN, GaAs로, TIS 2 인 ZnS와 MGB이 비 산화물 나노 시트로 확장 될 수있다. 나노 시트가 모 화합물의 조성물을 계승하기 때문에, 각종 기능성은 상위 구조의 적합한 설계에 의해 삽입 될 수있다. 배향 된 필름 성장을위한 시드 층으로서의 용도뿐만 아니라, 나노 시트의 다양한 기본 물성을 연구하고 새로운 기능성 구조 공학 유용한 도구로 입증되었다 11,19 -. 22

이 프로토콜은 에피 택셜 성장 산화물 박막에 대한 템플릿의 다른 유형을 획득하기 위해 실험 절차를 도시한다. arbitrar에 나노 시트 층 - 전체 절차는 Nb를에게이 칼슘을 제조하는 3 열 O를 잘 정의 된 단일 종단 (3)과 기판 (3) DyScO를 기술 된 SrTiO3뿐만 아니라 절차를 구하는기판의 Y.

Protocol

1. 원자 부드러운, 단독으로 종료 된 표면

  1. 청소 된 SrTiO3 3 DyScO 3 기판
    1. 아세톤 (순도 99.5 %)로 가득 비커에 기판을 담그고 10 분 동안 초음파 목욕 (UB)에 넣습니다. 사이에 기판을 건조하지 않고, 에탄올 (순도 99.8 %)이 단계를 반복합니다. 표면에서 에탄올 방울을 불어 샘플을 건조 질소 총을 사용합니다. 이러한 방식으로, 에탄올에 존재하는 입자는 건조 후에 표면 상에 머물 것이다.
    2. 광학 현미경으로 표면을 확인합니다. 에탄올에 침지 렌즈 용 티슈, 부드럽게 기판을 문질러 남은 입자를 제거합니다. 항상 샘플을 건조 질소 총을 사용합니다. 표면까지 단계를 반복 1.1.1과 1.1.2 입자에서 무료입니다.
  2. DyScO 3 치료 - 어닐링
    1. 석영 보트 청소 기판을로드하고 1000 & #에서 깨끗한 튜브 오븐에서 그들을 어닐링176; C 4 시간 동안 산소 (150 ㎖ / 시간)를 흐르는에서.
    2. 광학 현미경으로 표면을 확인합니다. 먼지가 보이면, 표면을 세정하는 단계 1.1.2에서 설명 된 절차를 사용한다.
  3. DyScO 3 치료 - BHF에 의한 표면 거칠기
    1. 40 ml의 탈 이온수 (DI) 물을 함유하는 100 ml의 비이커에 깨끗한 기판을 담그고, 30 분 동안 UB에두면. 기판을 수행하기 위해 테플론 홀더를 사용합니다.
    2. 40 ml의 탈 이온수 세 HF 저항 100 ml의 비커를 입력합니다. 에탄올 40 ml로 한 100 비이커를 입력합니다. 40 ml의 12.5 % 버퍼링과 불화 수소 하나 HF 저항 비커 작성 (: HF = 87.5 : BHF, NH 4 F를 12.5의 pH = 5.5).
      참고 : BHF는 매우 위험한 산입니다. 적절한 예방 조치가 취해 져야한다.
    3. BHF 함유 비이커에 탈 이온수 비이커에서 기판을 반송 테프론 홀더를 이동. 30 초 동안 UB에서 비커를 넣어.
    4. HF 저항 비커 containi에 테플론 홀더로 이동NG DI 물 부드럽게 위아래로 홀더를 이동, 20 초 동안 담가. 물이 가득 다른 두 비커에이 단계를 반복합니다. 비커에 들어있는 에탄올의 샘플 홀더를 남겨주세요.
    5. 모든 BHF 포함하는 액체 폐기하십시오.
    6. 질소 총을 사용하여 기판을 건조. 광학 현미경으로 표면을 확인합니다. 먼지가 보이면 단계 1.1.2를 반복합니다.
  4. DyScO 3 치료 - NaOH를하여 선택적 에칭
    1. 40 ml의 12 M의 NaOH (수성)와 100 비이커를 입력합니다. 테플론 홀더를 사용하여 샘​​플을 담그고 30 분 동안 UB에서 비커를 놓습니다.
    2. 40 ml의 1 M의 NaOH (수용액)를 함유하는 100 ml의 비이커에 시료를 전송합니다. 30 분 동안 UB에 넣어.
    3. DI 워터와 세 개의 비커와 에탄올로 한 비커를 입력합니다. 물 그리고 마지막으로 에탄올로 비커에있는 3 개의 비커에 후속 침지 샘플을 씻어. 질소 총을 사용하여 샘​​플을 건조.
    4. 광학 microsco로 표면을 확인단계 1.1.2에서 기술 된 절차를 사용하여, 체육 필요한 경우 깨끗한. DyScO 3 샘플은 단독으로 지금 종료됩니다.
  5. 된 SrTiO3 3 치료
    1. 단계 1.3에 기재된 바와 같이 BHF를 사용하여 기판을 에칭 세정. 이 공정은 단지 표면을 거칠게 DyScO 3 단계로 사용되는 동안, 즉 유의의 SrO 선택적 에칭이 단계에서 일어난다.
    2. 90 분 동안 산소 (150 ㎖ / 시간)를 흐르는 950 ° C에서 샘플을 어닐링. 된 SrTiO3 3 샘플은 단독으로 지금 종료됩니다. 단계 1.1.2에서 기술 된 절차를 사용하여, 광학 현미경으로 표면을 검사하고 필요한 경우 청소.

임의 기판 2. 원자 적으로 정의 된 템플릿

  1. 칼슘이 준비 Nb를 3 O (10) - 나노 시트
    1. 0.40 g / 100 ml의 농도로 물에 DI HCA이 Nb를 10 O 3 분말의 분산액을 만들고 추가테트라 부틸 암모늄 하이드 록 사이드의 몰량 (TBAOH). 에비 등의 알을 참조하십시오. (23) 고체 KCA 2 Nb를 3 O (10) 분말의 합성과 양성자에 대한 HCA 2 Nb를 3 O 10.
      참고 : TBAOH은 부식성; 항상 장갑을 착용하고 취급에주의.
    2. 조심스럽게 손으로 병을 흔들어 14 일 동안 30 Hz에서 흔들 통에 수평으로 배치합니다. 천천히 병을 압연에 의해 침전에게이 십사일 동안 5 ~ 6 배를 다시 분산.
    3. 0.40 g / L로 분산을 희석하고 다시 부드럽게 흔들어. 그것은 큰 집계가 분산의 하부에 정착하게하기 위해 사용하기 전에 최소 24 시간 동안 서 보자.
      참고 : 배치 크기는 프로세스에 영향을 줄 수 있습니다. 여기에, 100 ml의 500 ml로 희석 배치의 초기 배치는 모두 폴리 프로필렌 병에 만들어졌다.
  2. 칼슘이 침착 Nb를 3 O (10) 나노 시트
    참고 : 장비 및 소프트웨어 수율 다양한 작동 설정의 다양한 버전. 모든 옵션에 대한 설정의 설​​명서를 참조하십시오.
    1. 탈 이온수로 세척 및 각면 최소 3 분 동안 높은 에너지에서 산소 플라즈마 세정에 의해 빌헬 플레이트를 청소합니다. 직후 DI 물에 빌헬 플레이트를 저장합니다.
      참고 : 여러 증언이 연속적으로 수행하는 경우, 빌헬 플레이트는 산소 플라즈마마다 처리 할 필요가 없습니다.
    2. 랭 뮤어 - 블로 젯 물마루 다시 DI 물 린스하고, 질소 가스로 건조, DI 물 린스 에탄올 칫솔질 두 장벽을 청소한다. 설치가 진동을 방지하기 위해 진동 방지 테이블에 배치하고, 공기와 먼지 유입을 방지하기 위해 증착 동안 폐쇄 될 수있는 상자에 있는지 확인합니다.
    3. 주사기와 신선한 나노 시트 분산의 상부로부터 50 mL를 취하여 천천히 통에 넣어. 확인 저점의 가장자리와장벽은 방울 무료입니다.
      주 : 한 증착을 위해 필요한 양 트로프의 크기에 의존한다. 물 표면은 장벽이 제대로 표면을 압축 할 수 있는지 확인하기 위해, 저점의 가장자리보다 약간 이상이어야합니다.
    4. 15 분 동안 분산 나머지를 보자.
    5. 수성 솔루션과 호환 임의의 기판을 선택하고 올바르게 청소합니다. LB 설정의 홀더에 기판을 부착하고 그것을 질소 가스와 최종 타격을 제공합니다.
      참고 : 원자 평면 필름 원자 평면 기판 위에 성장해야 할 염두에 두십시오. 이 보고서의 데이터 예 5 분 동안 높은 에너지로 30 초간 산소 플라즈마, 에탄올로 초 임계 이산화탄소의 제트 세정 된 실리콘 기판을 얻었다.
    6. 설치에 기판 홀더를 부착합니다. , 빌헬 플레이트를 타고 구유에 찍어 조심스럽게 봄에 부착합니다. 종이 조각으로 접시의 전선에서 방울을 제거합니다. </ 리>
    7. 이 나노 시트 분산 체의 표면에 닿을 때까지, 상기 기판을 제로로 내리고 소프트웨어의 높이를 설정하고 원하는 깊이까지 더 낮은 기판. 기판 홀더는 나노 시트 분산 닿지 않도록해야합니다.
    8. 제로 소프​​트웨어의 표면 압력을 설정하고 15 분 동안 분산을 방치. 15 분 후, 표면 압력은 전형적 mN의 1 내지 2 / m에 도달한다. 큰 편차는 다음의 성막 불량을 나타낼 수있다.
    9. 다시 제로 3.0 mm 서서히 표면을 압축 / 분의 속도로 이동하여 장벽을 증착의 첫 단계를 시작하기 위해 소프트웨어의 표면 압력을 설정한다. 소프트웨어의 목표 압력의 값이 잘 단계 2.2.10 (즉, 20 mN의 / m)에서 예상되는 최대 값 이상인지 확인합니다.
    10. 면압 및 표면적의 발전을 모니터한다. 압력의 증가가 크게 둔화와 압력 approache 때까지 기다립니다최대이야. 장벽이 빌헬 플레이트에 도달하지 있는지 확인합니다. 최대 압력은 전형적으로 15.0-18.0 mN의 / m에 도달하지만, 이것은 절대 나 상수 값도 아니다.
    11. , 목표 압력에 도달 값을 입력 값으로 실제 디퍼 높이를 1.0 mm / min의 속도로 분산로부터 기판을 인출하여 성막의 두번째 단계를 시작한다. 표면 압력을 모니터한다.
    12. 증착이 완료되면, 탈 이온수로 헹구고, 다시 DI 물에 저장 빌헬 플레이트를 제거.
    13. 그것이 완전히 건조 후 기판을 제거합니다.
    14. 다층 증착을 위해, 이전 층으로부터 유기 잔류 물을 분해. 이는 30 분 동안 또는 30 분 동안 자외선을 조사하여 전자 레인지에서 600 ℃로 가열함으로써, 예를 들면 수행 될 수있다. 단계 2.2.2에서 프로토콜을 반복하지만, 질소 가스의 타격 이외의 기판을 청소하지 마십시오.

Representative Results

단계 1) (3) 및 DyScO 된 SrTiO3 기판 (3)의 선택적 에칭

원자력 현미경 (AFM)은 치료 성공에 대한 표시를 간단히 얻을 것이다. 단지 650 ° C (도 4A)에 플래시되었던 3 된 SrTiO3 기판의 AFM 화상은 고온 어닐링 단계의 필요성을 보여주는, 거친 표면을 나타낸다. 마찰 이미지의 명확한 콘트라스트 높이 화상의 단면 반 유닛 셀 높이의 차이뿐만 아니라,이 관찰되기 때문에, 어닐링, 기판 (도 4A-C)의 AFM 데이터는 명백하게, 2 매의 표면 종단을 나타낸다.도 5는 AFM을 도시 이산화 티탄의 이미지 된 SrTiO3이 프로토콜에 기재된 방법에 따라 처리 된 기판 (3)을 종료한다. 큰 규모로, 직선 테라스 선반 (그림 5A)를 관찰 할 수있다. 작은 규모에,매우 부드러운 테라스가 관찰되고, 하나의 종료 표면에 대한 예상대로 테라스 사이 만 단위 셀 높이 차이를 측정한다. 작은 잘려진 각도 큰 테라스, 즉,와 기판에 단위 셀 깊은 구멍은 테라스 선반 (그림 5B) 근처에 볼 수 있습니다. 이 구멍은 더 이상 열처리 시간을 사용하는 경우, 선도하는 높은 잘려진 각도 (그림 5C)와 하나의 종료 기판과 유사한 형태학에 사라집니다. 이 구멍의 형태뿐만 아니라, 테라스 레지의 형태는, 단일 종단의 중요한 표시이다. 테라스 선반 라운딩하는 동안 기판 상에 단일 종단 (24)은, 구멍이 원형 모양이다. 반면, 날카로운 테라스 선반과 사각형 구멍이 두 번 종료 기판 (그림 4B 참조)에 볼 수 있습니다.

단일 종단의 또 다른 표시는 반사 고 에너지 전자 회절한다 나타납니다(그림 6). 수신 기판, 줄무늬가 나타나는의 RHEED 이미지에 의한 표면의 가난한 결정에 이온 (RHEED) 이미지. 키쿠치 라인 샤프한 회절 반점의 출현에 의해 알 수있는 바와 같이, 산소 또는 기판의 전체 치료 소둔 후의 표면보다, 정렬된다. 그러나, 단일 종단 기판의 경우에, 회절 반점은 어닐링 기판에 비해 심지어 작다. 더 중요한 것은, (1 × 1) 관광 명소 외에, 추가 점은 더블 종료 기판의 패턴에 항상 존재하는 표시됩니다,

DyScO (3)의 경우에는, 처리가 성공되었는지의 여부를 확인하기 어렵다. 어떤 차이가 RHEED의 어닐링 더블 종료 기판의 패턴과 그림 7에서 화학적으로 종료 SCO이 처리 기판 .10, 다른 단련 DyScO 3 기판의 AFM 이미지 사이를 볼 수없는 경우S가 표시됩니다. 다른 종단 용이도 7A-D에서수있다.도 7EF는 단일 종단 기판 예상 형태를 보여, 단지 4 단계가 표시된다. 그러나, 혼합 종료는 여전히 매우 작은 규모로 발생할 수 있습니다. 때문에 AFM의 제한된 해상도로, 다른 종단의 영역은 명확하게 표시되지 않습니다. 단일 종단 표면들에 비해 두 높이 및 위상 이미지에서 높은 표면 거칠기는 양쪽 종단의 존재를 표시한다.

주사 프로브 현미경과 표면 회절 기법은 완전히 치료의 성공 여부를 결정하기에 충분하지 않다. 두 번째 종료 마이너 지역 한계 때문에 해상도 기술의 두 가지 유형으로 관찰되지 않을 수 있습니다. 그러나, 이러한 작은 영역들은도 8에 도시 된 바와 같이, 필름의 품질에 큰 영향을 미칠 수있다. SrRuO의 핵화 민감하다.도 8c와 F가 하나의 종료 표면을 보여주는 듯 각각의 DyScO 3 된 SrTiO3 3 기판의 AFM 이미지 비록 3-5, SrRuO 3의 성장은 다른 종단의 영역이되었다고 표시 여전히 존재. 결국, 치료의 성공은 충분히 성장 막의 품질을 고려하여 결정될 수있다.

2 단계) 칼슘 2의 증착 Nb를 3 O (10) - 임의의 기판에 나노 시트

나노 시트 증착 동안, 면압의 변화를 모니터링 할 수 있으며,이 방법은 증착에 진행 표시를 제공한다. 초기 표면적 압축 및 나노 시트의 실제 증착 동안 면압의 전형적인 플롯은도 9에 도시되어있다. 일반적으로 압력이 증가하는 것 증분더 빠르게 충전 밀도 증가와 같은 나노 시트 부동 easingly 밀집 100 %에 접근한다. 실제 증착 면압이 최대에 도달하고,이 압력은 증착 동안 유지된다 바로 전에 시작해야한다. 케이스 내의 압력이 최대 및 (약간) 축소,이 고압축 력이 서로 중첩하고 (부분) 스택을 생성하는 몇몇의 나노 시트의 가장자리를 야기 할 수 있음을 나타내는 전달한다. 만큼 최대 접근하지 않는 압력으로, 나노 시트는 아직 조밀 한 포장으로 구성되지 않습니다. 실제 증착 동안, 장벽은 천천히 나노 시트 단일 층의 지방 조직 개편을 가능하게 앞뒤로 이동이 톱 같은 압력 프로파일을 발생합니다.

단층 나노 시트의 대표적인 AFM 화상을도 10에 도시되어있다. 나노 시트 표면은 평활하고 인접한 갭 높이 차이는 1.44 nm의 두께를 결정 학적 접근부모 화합물 11- 칼슘이 Nb를 3 O (10). 나노 시트는 단일 층의 평면 방향으로 배향 (001) 완전히이지만 의한 나노 시트 면내 랜덤 순서로 임의의 면내 배향을 갖는다. 된 SrTiO3 3의 중간 층으로 나노 시트 - 자신의 결정 방향과 품질을 설명하기 위해, 그림 11은 칼슘이 Nb를 3 O (10) 상에 성장 된 에피 택셜 SrRuO 3의 전자 후방 산란 회절 (EBSD) 이미지를 보여줍니다. 모든 필름에 나노 시트의 평면 (001) 배향을 갖는 개별 나노 시트에 단일 면내 배향을 갖는다. 이러한 필름의 표면 모폴로지는 원자 적으로 완벽 nanoshe 고품질 막 성장을 확인하고, 상기 연속 부분 (12) 국지적 스텝 높이는 나노 시트 두께 또는 SrRuO (3)의 단위 셀의 높이와 어느 대응도의 AFM 이미지와 함께 도시되어있다ETS. 3 필름이 방법에 의해 성장 에피 택셜 SrRuO의 특성에 대한 확장 된 보고서의 경우 Nijland 등을 참조하시기 바랍니다. (15)

그림 1
입방정 페 로브 스카이 트의 유닛 셀도 1 (A)을 나타낸 그림. 금속 이온 A 및 B는, 각각의 모서리와 유닛 셀의 중심에 위치하고있다. 산소 원자가 B 이온 주위 면체를 형성하는 큐브의면에 위치한다. (B) (001)의 개략적 인 대표 페 로브 스카이 기판을 지향. 때문에 잘려진로, 표면은 테라스로 구성되어 있습니다. 양쪽 종단, AO BO 및 2는 표면에 존재한다. (C)이 완전히 종료 BO 기판의 도식 표현. DyScO 3 기판의 표면의 (D) AFM 이미지 1,000 소둔 후의 6; 4 시간 동안 C. 테라스 거칠기 라인 프로파일 (E)뿐만 아니라, 4 단위 셀의 단계에 도시 된 바와 같이, 2 매의 표면 종단의 존재에 의해 발생하지만,도 2의 높이 차이는 볼 수있다. AC가 Kleibeuker에서 적응도 등. (9) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
도 2 단층 나노 시트로 적층 모 화합물. 부피가 큰 분자와 이온 교환 수의 박리의 개략도 층이 서로 분리 될 수 있도록, 층간 정전기력을 팽윤 구조를하도록하고 감소시킨다.= "_ 빈"을 얻을>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
LB 법에 의해 증착 나노 시트도 3의 개략도. 나노 시트는 분산액의 표면을 향해 안쪽으로 이동하고 부동 장벽 밀집로 압축된다. 기판은 천천히 분산에서 제외된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
도 4. 650 ℃로 플래싱되었던 3 된 SrTiO3 기판의 (A)의 AFM 이미지. (B) AFM 높이 (C)의 마찰이중 종결 된 SrTiO3 3 기판의 이미지 (D)에 나타낸 AFM 높이 화상의 라인 프로파일에서와 같이 보이는 인접한 테라스에 비해 절반 단위 셀 고저차 날카로운 단차 에지 및 테라스를 도시. 두 개의 다른 종단 마찰 이미지에서 분명한 대비를 야기한다. 코스터 등의 등의 허가로 촬영 한 그림. 8 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
도 5 (AC) 3 단일 종결 된 SrTiO3 기판의 AFM 이미지. (D)은 단지 단위 셀의 높이 차이를 나타내는 (C)의 라인 프로파일이다. (B)의 원은 유닛 셀 중 하나 깊은 HOL 나타낸다 ES 낮은 잘려진 각도 기판의 테라스 선반 근처에 볼 수있는. 코스터 등. (24)의 허가로 촬영 한 그림 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6
수신 된 SrTiO3 기판 (3), (B) 및 어닐링 된 기판 (C)는 단일 종결 된 SrTiO3 기판으로서 3 (A)의 제 RHEED 이미지. 코스터 등. (24)의 허가로 촬영 한 그림 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 7. 어닐링 DyScO 3 기판의 AFM 이미지. (AD)는 명확하게 이중 종료 표면을 보여줍니다. 그러나, 형태는 기판에 기판과 다를 수 있습니다. (E)(F)의 표면은 더 균일 보면, 단지 단위 셀의 높이 차이를 측정 할 수있다. 그러나, AFM의 해상도가 두 번째 종료 (25)의 작은 영역을 측정하기에 너무 낮을 수있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8
SrRuO 그림 8. AFM 이미지는 3 영화. 된 SrTiO3 3 DyScO에 (A)에서 영화를 3 기판을 성장 NG> (D)는이 프로토콜에 기술 된 방법에 따라 처리 하였다 된 SrTiO3 각각 3과 3 DyScO 기판상에서 성장된다. 필름은 매우 평활하고, (B)(E)에 도시 된 대응하는 라인 프로파일은 단위 셀의 높이 차이를 나타낸다. (C)와 (F)의 영화를 두 번 종료 단련 된 기판 위에 성장시켰다. 트렌치 막 두께의 범위에있는 표시이다. (D)(F)의 세트는 이전에 성장 된 기판을 나타낸다. 두 표면이 매우 매끄러 있습니다. Kleibeuker 등의 허가로 촬영 한 그림. 9 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 초기 표면적 압축시의 표면 압력의 9 전형적인 플롯과 칼슘 2의 Nb 실제 증착 (3) O (10) -. 나노 시트 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10
그림 10. 일반적인 AFM 이미지와 칼슘 2의 Nb 단층의 라인 프로파일 (3) O (10) -. 실리콘 기판 상에 증착 된 나노 시트 나노 시트는 부드러운 표면을 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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. Nb를 3 O 10(2) 상에 성장 된 에피 택셜 SrRuO (3)의도 11 EBSD 이미지 - 된 SrTiO3 (3)의 중간층의 나노 시트 필름은 모두 나노 시트에서의 평면 (001) 배향을 가지며, 하나의 평면을 갖는다 개별 나노 시트의 방향입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 12
그림 12. Nb를 3 O (10) 칼슘이 성장 에피 택셜 SrRuO 3의 AFM 이미지와 라인 프로필 -. 된 SrTiO3 3의 중간 층 나노 시트 연속 부분에 높이가의 나노 시트의 두께에 맞게 단계1.4 내지 0.4 나노 미터의 SrRuO 3 단위 셀의 높이입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

모두 페 로브 스카이 트 산화물의 기판 처리의 가장 중요한 측면은 작업의 청결도이다. 소둔 원하지 않는 반응이 용이하게 표면을 손상시킬 수있는 반면, 표면 오염은, 기판의 영역의 에칭을 방지한다.

다른 단계들의 순서는 물론 중요하다. 포스트 어닐링은 기판의 표면에서 원하지 않는 대량의 Dy 확산 이후 DyScO 리드 (3)의 처리에서, 상기 어닐링 단계는, 에칭 단계 이전에 수행되어야한다. 12 M NaOH 용액으로 에칭 한 후, 1 M 용액을 항상 기판 표면 상에 수산화 디스프로슘 착체의 침전을 방지하기 위해 사용되어야한다. 물에 몸을 담근 것은가 SrO hydroxylize하기 위하여 된 SrTiO3 (3) 치료를 위해 필요하다. 이러한 방식으로, 짧은 에칭 시간으로 인해 제어되지 않은 에칭면의 손상을 방지하는 데 사용된다. 물에 담그는 것은 DyScO 경우에 선택적인 단계입니다 3에서 복사 및 치료에 어떠한 의미를 가질 것으로 예상되지 않는다.

어닐링 단계는 표면의 결정 성을 향상시키기 위하여 필요하다. DyScO 3 된 SrTiO3 (3) 치료에 대한 표시 어닐링 시간은 평균적으로 잘 정의 된 단계 선반으로 이어질 시간이다. 그러나 때로는 어닐링 시간은 넓은 테라스, 즉, 낮은 각도로 잘려진 기판에 대해 증가 될 필요가있다. 증가 된 확산 길이이어서 최적의 위치를​​ 찾기 위해 표면 원자 요구된다. 된 SrTiO3 (3)의 경우에, 너무 긴 어닐링 시간은 표면에 대량 제조 SR 원자의 불필요한 확산을 일으킬 수도있다. 대표적인 결과 섹션에 설명 된대로이 두 번째 종료는, 직선 스텝 모서리와 각 구멍의 모양으로 표면 형태에 관찰 할 수있다. 이 경우, 표면 처리 C반복 수 있지만, 최종 어닐링 단계는 30 분간 26 ° C (920)에서 수행되어야한다.

이 프로토콜에서 설명하는 방법 (001) 된 SrTiO3 3 및 희토류 scandates위한 가장 성공적인 방법이지만, 이들의 기판에 적용될 수있다. 그러나, 다른 기판에 대한 방법은 정확한 표면 화학을 조정해야합니다. 다른 방향으로의 기판을 사용하는 경우도 필요하거나, 대신에 B 사이트의 종단 사이트가 요구 될 때. 기존 치료의 개요는 산체스 등. 6 Schlom 등에서 찾을 수 있습니다. 2

나노 시트의 시드 층과 관련하여, 프로세스의 민감한 부품은 고품질의 나노 시트 분산 물을 얻기 위해 상기 증착 동안 오염을 방지한다. 부피가 큰 유기 이온의 첨가에 의해 단층 나노 시트로 적층 모 화합물의 박리가 용이​​하게 발생하지만 나노 시트는 응집하는 경향분산 체 및 동종 응집체 단층의 증착을 방해 할 것이다. 따라서, 분산액의 하부를 사용하여 사용 전에 아닌 적어도 24 시간 동안 안정을 갓 희석 분산액을두고하는 것이 매우 중요하다. 이것은 큰 집계가 정착하고 분산의 상부는 비교적 순수한 될 것이다 시간을 떠난다. 지속적인 집계가 계속 분산을 저하 때문에 희석 권장 후, 1 주일 이내에 사용한다. 부피에 걸쳐 분산 나노 시트 농도 구배 발생 스톡 분산액으로부터 취한 지방 체적 나노 시트 농도에 따라 LB 증착 중에 면압 값의 일부 변형을 야기 양해 바랍니다. 또한, LB 증착은 표면 - 활성 분자를 기반으로하며, 따라서 오염 및 이동에 매우 민감하다. 설치 및 빌헬 판의주의 깊은 청소 및 보호 AG (바람직하게 청소 도구이 설정 만 전용)ainst 공기가 흐르는 진동은 매우 중요하다.

LB 피착에 의해 기판 ​​상에 나노 시트 임의의 시드 층을 만드는 개념은 박막 성장의 분야에서 유용한 도구이다. 나노 시트의 표면에 원자 완벽 원칙적으로 고품질의 에피 택셜 막을, 격자 파라미터와 일치하는 임의의 막 재료를 수득 하였다. 나노 시트는 거의 모든 재료를 기판 상에 증착 될 수 있으며, 따라서 다른 재료는 비교적 고가이고 제한된 크기의 단결정 기판을 대체 할 수있다. LB 법은 일반적으로 전기 영동 증착 또는 응집과 같은 다른 종래의 기술에 의해 달성 될 수없는 높은 제어 성 단층 나노 시트에 증착을 가능하게한다.도 11은 다소 병목 시드 층의 완성도이다. 넓은 영역에 걸쳐 높은 영화 자질이 기능 장치에서 현재까지 신뢰할 수있는 응용 프로그램에 필요한이 달성되지 않았습니다. 와 나노 시트를 입금그들의 면내 배향을 제어하는​​ 최적 범위 및 바람직하게는 필드 주요 과제이다. 그럼에도 불구하고, 본 기술 분야의 현재 상태는 이미 연구 가치있는 도구임이 입증되었다.

Acknowledgments

이 작품은 재정적으로 VIDI 보조금을 통해 과학 연구에 대한 네덜란드기구 (NWO)에 의해 TOP과 ECHO 프로그램의 프레임 워크에서 과학 연구에 대한 네덜란드기구 (NWO-CW)의 화학 과학 부문에 의해 지원됩니다.

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

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References

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