Roztwory stałe materiałów tlenkowych jako podłoża do epitaksji Marek Berkowski

Instytut Fizyki PAN Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa

1. Czego oczekujemy od monokryształów wykorzystywanych na podłoża dla cienkich warstw ?2. Perowskity • deformacja komórki elementarnej, przejścia fazowe • własności roztworów stałych prostych perowskitów • kubiczne perowskity (SrAl0.5Ta0.5O3)1-x(LaAlO3)x (SAT1-xLAx) • perowskity potrójne SAT:LA:CaAl0.5Ta0.5O3 • nowe perowskity o niższych (CaAl0.5Ta0.5O3)1-x(NdAlO3)x (CAT1-xNAx) i

(LaAlO3)1-x(NdAlO3)x (LA1-xNAx) i • wyższych wartościach stałych sieci (CaGa0.5Nb0.5O3)1-x(SrGa0.5Nb0.5O3)x

(CGN1-xSGNx) 3. Materiały o strukturze K2NiF4 • problemy technologiczne, niekongruentne topienie galanów i tantalanów • roztwory stałe (SrLaAlO4)1-x(SrLaGaO4)x (SLA1-xSLGx) oraz SLA1-x(Sr2Al0.5Ta0.5O4)x i SLA1-x(Sr2TiO4)x • nowe materiały o strukturze K2NiF4 i najniższych wartościach stałych sieci

roztwory stałe SLA1-x(SrNdAlO4)x (SLA1-xSNAx) i (SrNdAlO4)1-x(CaNdAlO4)x (SNA1-xCNAx)

4. Wnioski

Podstawowe własności jakich oczekujemy od podłoża

• zgodność stałych sieci od temp. epitaksji do pokojowej • brak przejść fazowych • odporność na reakcję z warstwą w temperaturze epitaksji • odporność mechaniczna • niska wartość stałej dielektrycznej i współczynnika strat • temperatura topnienia niższa niż 2100oC • topienie kongruentne

Temperaturowa zależność wartości stałych sieci typowych nadprzewodników i manga-nitów oraz najważniejszych podłoży stoso-wanych do epitaksji

OB

OA

RR

RRt

2

Perowskity – deformacja komórki elementarnej, współczynnik tolerancji

Przejścia fazowe w perowskitach, zbliźniaczenia, nierówność powierzchni

Wzrost i badania strukturalne monokryształów roztworów stałych perowskitów galowych La1-xRExGaO3

Normalizację stałych sieci przeprowadzono według zależności an = aort/ bn = bort/ i cn = cort/2.

2

2

Kubiczne perowskity SrAl0.5Ta0.5O3 - LaAlO3 (SAT1-xLAx)

2

22

Typ jonu Al lub Ta w położeniu B w komórce elementarnej SAT:

Typ i symetria sieci:Parametry sieci:

1.Regularna Fm3m lub

F-43m;2ap

2.Tetragonalna P4mmm

ap ap ap

1.Tetragonalna P4;

ap, ap, ap

Typ jonu Al lub Ta w położeniu B w komórce elementarnej SAT:

Typ i symetria sieci:Parametry sieci:

4. Trójskośna P1;

2ap, 2ap, 2ap,

5. Romboedryczna R-3m

ap, α=60o

6. Trójskośna P1;

2ap, 2ap, 2ap,

Dopuszczalne ustawienia jonów Al i Ta w komórce SAT, symetria oraz parametry sieci

Roztwory stałe potrójnych perowskitów (SAT:LA:CAT) SrAl0.5Ta0.5O3:LaAlO3:CaAl0.5Ta0.5O3

Perowskity – stan aktualny i co dalej

CGN1-xSGNx

SAT1-xLAx

SAT:LA:CAT

LA1-xNAx CAT1-xNAx

[[[[

[

[są [ badamy

Roztwory stałe perowskitów glinowych La1-xRExAlO3 i CAT1-xNAx

Krystalizacja metodą Czochralskiego roztworów stałych CAT1-xNAx. Próbne procesy krystalizacji metodą topienia strefowego CAT1-xNAx dla wartości x = 0.5, 0.6, 0.7 i 0.8. Badania rentgenowskie pozwoliły na określenie struktury i wartości stałych sieci. Mają strukturę R-3c a wartości stałych sieci pokrywają zakres 3.819 a 3.77 Å.

LA, PrAlO3 (PA), i NA tworzą roztwory stałe w całym zakresie. Mają strukturę R-3c. LA1-xNAx dla x0.3 mismatch = 0 do Sr2-xLaxCuO4- przejście fazowe II rodzaju około 900 oC.

Roztwory stałe (CaGa0.5Nb0.5O3)1-x(SrGa0.5Nb0.5O3)x (CGN1-xSGNx)

CGN – Pbnm, a=5.4298, b=5.5315, c=7.7352 Å; SGN – Pm3m + Fm3m ?, a=7.899 Å; Zakres stałych sieci 3.8728 – 3.9495 Å, zmiana struktury od Pbnm przez P4/mbm do Pm3m + Fm3m ??; kefCa/Sr=0.43, kefSr/Ca=2.32; kefNb/Ga=1.06, kefGa/Nb=0.94; topienie niekongruentne ?!, redukcja dla CGN też !!! Struktura kubiczna (Pm3m + Fm3m)? od składu x0.6; Sr0.6Ca0.4Ga0.5Nb0.5O3; a3.924 Å

H.M. O’Bryan, P.K. Gallagher, G.W. Berkstresser and C.D. Brandle, J. Mater. Res. 5, (1990), 183; S.Erdei, L.E. Cross, F.W. Ainger, A. Bhalla, J. Cryst. Growth 139, (1994), 54;

[

Wspólne cechy różnych grup perowskitów

Zależność objętości komórki perowskitowej od średniej wartości promienia jonowego RB dla różnych rodzin perowskitów o strukturach (R) rombowej, (T/Re) tetragonalnej lub romboedrycznej i (K) kubicznej.

Roztwory stałe monokryształów o strukturze K2NiF4

• (SrLaAlO4)1-x(SrLaGaO4)x (1)

• SLA1-x(Sr2Al0.5Ta0.5O4)x (2)• SLA1-x(Sr2TiO4)x (3)• SLA1-x(SrNdAlO4)x (4)• (SrNdAlO4)1-x(CaNdAlO4)x (5)

(1,2,3) [

(4) [(5) [

Roztwory stałe monokryształów o strukturze K2NiF4

(3) SLA1-x(Sr2TiO4)x= Sr1+xLa1-xAl1-xTixO4 dla x≈0.15 a≈3.777 Å

(4) SLA1-x (SrNdAlO4)x 3.754 – 3.712 Å(5) (SrNdAlO4)1-x(CaNdAlO4)x 3.712 - 3.688 ÅA. Novoselov et al. Cyst. Res. & Technol., 40, (2005), 405

Wnioski

• Znaleziono interesujące monokryształy na podłoża w dwóch grupach materiałów: perowskitach i o strukturze K2NiF4;

• Roztwory stałe pozwalają na dobranie wartości stałych sieci podłoża dogodnych dla epitaksji konkretnej warstwy;

• Można otrzymać monokryształy bez zbliźniaczeń o stałych sieci dla perowskitów od 3.876 do 3.819 Å i dla materiałów o strukturze K2NiF4 od 3.754 do 3.688 Å;

• Badane są inne roztwory stałe w celu otrzymania monokryształów o stałych sieci pokrywających cały interesujący dla epitaksji zakres od 3.946 do 3.688 Å;

• Badane monokryształy mają dobrą odporność na reakcję z warstwą, niskie i tan a otrzymywanie ich metodą Czochralskiego zapewnia wysoką jakość strukturalną;