[論文レビュー] Selective control of oxygen sublattice stability by epitaxial strain in Ruddlesden-Popper films

Tricia L. Meyer, Lu Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 52被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial引張応力がラドゥルデン＝パウアー相のLa1.85Sr0.15CuO4 (LSCO)薄膜において酸素空孔を選択的に安定化することを示しており、空孔形成のギブズ自由エネルギーが低下し、等方的酸素サイトへの優先的占有が生じる。一般的な格子拡張とは対照的に、局所的構造的応答により格子収縮が生じる。これは、複雑な酸化物における応力制御酸素非化学 Stoichiometry に関する新たな知見を提供する。

ABSTRACT

Oxygen-defect control has long been considered an influential tuning knob for producing various property responses in complex oxide films. In addition to physical property changes, modification to the lattice structure, specifically lattice expansion, with increasing oxygen vacancy concentrations has been reported often and has become the convention for oxide materials. However, the current understanding of the lattice behavior in oxygen-deficient films becomes disputable when considering compounds containing different bonding environments or atomic layering. Moreover, tensile strain has recently been discovered to stabilize oxygen vacancies in epitaxial films, which further complicates the interpretation of lattice behavior resulting from their appearance. Here, we report on the selective strain control of oxygen vacancy formation and resulting lattice responses in the layered, Ruddlesden-Popper phases, La1.85Sr0.15CuO4. We found that a drastically reduced Gibbs free energy for oxygen vacancy formation near the typical growth temperature for tensile-strained epitaxial LSCO accounts for the large oxygen non-stoichiometry. Additionally, oxygen vacancies form preferentially in the equatorial position of the CuO2 plane, leading to a lattice contraction, rather than the expected expansion, observed with apical oxygen vacancies. Since oxygen stoichiometry plays a key role in determining the physical properties of many complex oxides, the strong strain coupling of oxygen nonstoichiometry and the unusual structural response reported here can provide new perspectives and understanding to the structure and property relationships of many other functional oxide materials.

研究の動機と目的

• エpitaxial応力が複雑な酸化物薄膜における酸素空孔形成に与える影響を理解すること。
• 応力下におけるラドゥルデン＝パウアー相の酸素非化学 Stoichiometry に対する構造的応答を調査すること。
• 異なる結合環境を有する層状酸化物において酸素空孔形成時の格子挙動に生じる矛盾を解明すること。
• 応力工学による酸素格子安定性の選択的制御のメカニズムを確立すること。
• 機能酸化物材料における構造-性質相関に関する新たな知見を提供すること。

提案手法

• La1.85Sr0.15CuO4 (LSCO) のエpitaxial薄膜を引張応力を誘発する基板上に成長させた。
• X線回折および共鳴ソフトX線散乱を用いて格子定数と酸素空孔分布を測定した。
• 第一原理計算を用いて、応力下における酸素空孔形成のギブズ自由エネルギーを評価した。
• 分光および散乱技術を用いて、サイト特異的な酸素空孔局在を分析した。
• エネルギー最小化モデルを用いて、応力依存の酸素格子の熱力学的安定性を評価した。
• 頂点と等方的酸素空孔の影響が格子体積に与える差を比較分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エpitaxial引張応力は、ラドゥルデン＝パウアー酸化物における酸素空孔の熱力学的安定性にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ酸素空孔形成が、歪みのあるLSCO薄膜では拡張ではなく収縮を引き起こすのか？
• RQ3 引張応力下で、どの酸素サイト（等方的か頂点か）が空孔を優先的に受け入れるのか？
• RQ4 ラドゥルデン＝パウアー相の層状構造は、酸素非化学 Stoichiometry に対する従来の格子応答をどのように変化させるか？
• RQ5 エpitaxial応力は、酸素格子安定性の選択的制御にどの程度利用可能か？

主な発見

• 引張応力はLSCO薄膜における酸素空孔形成のギブズ自由エネルギーを顕著に低下させ、通常の成長温度でも大きな酸素非化学 Stoichiometry を可能にする。
• 酸素空孔は、酸化銅ペアノード内での等方的酸素サイトに、頂点サイトよりも優先的に形成される。
• 等方的サイトにおける空孔形成は、一般に見られる酸化物の拡張とは対照的に、格子収縮を引き起こす。
• 格子応答は強く異方的であり、主に局所的構造的緩和によってc軸方向に収縮が生じる。
• 観察された挙動は、特定の酸素格子の応力誘発安定化に起因し、空孔形成がグローバルな格子拡張と分離される。
• この選択的制御メカニズムにより、複雑な酸化物における酸素非化学 Stoichiometry および機能的性質の精密な工学的制御が可能になる。