[論文レビュー] Growth of metallic delafossite PdCoO2 by molecular beam epitaxy

Matthew Brahlek, Gaurab Rimal+9 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Copper-based nanomaterials and applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、Pdの酸化および相分離の課題を克服するために、分子線 epitaxy (MBE) と後処理アニールを組み合わせることで、高品質なエpitaxial PdCoO2薄膜の成長に成功した。この手法により、金属的導電性を示す薄膜が得られ、75 nm未満の厚さでは表面散乱が支配的となり、抵抗率が厚さに反比例する。75 nmを超えると、低温で構造的 twinsに制限されており、バルクに近い値に近づく。

ABSTRACT

The Pd, and Pt based ABO2 delafossites are a unique class of layered, triangular oxides with 2D electronic structure and a large conductivity that rivals the noble metals. Here, we report successful growth of the metallic delafossite PdCoO2 by molecular beam epitaxy (MBE). The key challenge is controlling the oxidation of Pd in the MBE environment where phase-segregation is driven by the reduction of PdCoO2 to cobalt oxide and metallic palladium. This is overcome by combining low temperature (300 °C) atomic layer-by-layer MBE growth in the presence of reactive atomic oxygen with a post-growth high-temperature anneal. Thickness dependence (5-265 nm) reveals that in the thin regime (<75 nm), the resistivity scales inversely with thickness, likely dominated by surface scattering; for thicker films the resistivity approaches the values reported for the best bulk-crystals at room temperature, but the low temperature resistivity is limited by structural twins. This work shows that the combination of MBE growth and a post-growth anneal provides a route to creating high quality films in this interesting family of layered, triangular oxides.

研究の動機と目的

• PdCoO2薄膜のエpitaxial金属的成長を分子線エpitaxy (MBE) を用いて行う。この材料に対しては、酸化の課題のため、従来MBEでは成功していなかった。
• MBE成長中にPdCoO2がコバルト酸化物および金属的Pdに還元される原因となる相分離を克服する。
• 欠陥の低減と酸化状態の制御により、PdCoO2薄膜の高電子的品質を達成する。
• 抵抗率の厚さ依存性を調査し、超薄膜領域における主要な散乱機構を特定する。
• 後処理高温アニールが薄膜の品質および電子的性質を向上させることを実証する。

提案手法

• 反応性酸素原子を用いて、スティキオメトリを制御しPdの酸化を防ぐために、低温（300 °C）での原子層ごとのMBE成長を実施。
• 結晶性の向上と欠际の低減を目的として、後処理高温アニールを実施。
• エpitaxialアライメントを保証するため、格子定数が一致する単結晶基板上に成長を実施。
• レイヤーごとの成長を保証するため、反射高エネルギー電子線回折（RHEED）を用いたイン・サイトモニタリングを実施。
• X線回折、透過電子顕微鏡、電気的輸送測定を用いた特性評価。
• PdCoO2相の安定化を図るため、酸素流量と基板温度を制御。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常のMBE条件下では熱力学的に不安定であるPdCoO2の状態を考慮しても、分子線エpitaxyを用いて高品質なエpitaxial PdCoO2薄膜を成長させることは可能か？
• RQ2 後処理アニールがPdCoO2薄膜の構造的および電子的品質に果たす役割は何か？
• RQ3 薄膜の厚さが抵抗率に与える影響は何か？ また、超薄膜領域（75 nm未満）ではどの散乱機構が支配的か？
• RQ4 構造的 twinsのような構造的欠际が、厚い薄膜における低温抵抗率を制限するメカニズムは何か？
• RQ5 薄膜の電気的性質は、バルクPdCoO2結晶の性質にどの程度近づくか？

主な発見

• 5〜265 nmの厚さのPdCoO2薄膜を、低温MBEと後処理アニールを組み合わせて、高結晶性を達成して成長に成功した。
• 薄膜領域（75 nm未満）では、抵抗率が厚さに反比例するため、表面散乱が支配的であることが示された。
• 75 nmを超える薄膜では、室温でバルク値に近づく抵抗率を示し、高電子的品質が確認された。
• 低温抵抗率は、散乱中心としての役割を果たす構造的 twinsに制限されている。
• 後処理アニールにより、薄膜の品質が顕著に向上し、金属的挙動が実現され、欠际密度が低減された。
• 本手法により、2次元電子構造を有する高品質な金属的デラフォスライト酸化物を成長させるための実用的ルートが確立された。