[論文レビュー] Surface and Interface Properties of La2/3Sr1/3MnO3 Thin Films on SrTiO3 (001)

Lina Chen, Zhen Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、SrTiO3 (001)基板上に形成されたLa2/3Sr1/3MnO3薄膜の表面および界面特性を、in-situおよびex-situの特性評価手法を用いて調査した。その結果、(La/Sr)O終末表面におけるSrのセグリゲーション（約3ユニットセル）および界面における混合（約1ユニットセル）が、膜厚に依存する金属-絶縁体転移を支配しており、表面近傍の化学 stoichiometry のずれにより、20ユニットセル未満の薄膜で非金属的挙動が顕在することが明らかになった。

ABSTRACT

Understanding and manipulating properties emerging at a surface or an interface require a thorough knowledge of structure-property relationships. We report a study of a prototype oxide system, La2/3Sr1/3MnO3 grown on SrTiO3(001), by combining in-situ angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy, ex-situ x-ray diffraction, and scanning transmission electron microscopy/spectroscopy with electric transport measurements. We find that La2/3Sr1/3MnO3 films thicker than 20 unit cells (u.c.) exhibit a universal behavior with no more than one u.c. intermixing at the interface but at least 3 u.c. of Sr segregation near the surface which is (La/Sr)O terminated. The conductivity vs film thickness shows the existence of nonmetallic layers with thickness ~ 6.5 +/- 0.9 u.c., which is independent of film thickness but mainly relates to the deviation of Sr concentration near the surface region. Below 20 u.c., the surface of the films appears mixed (La/Sr)O with MnO2 termination. Decreasing film thickness to less than 10 u.c. leads to the enhanced deviation of chemical composition in the films and eventually drives the film insulating. Our observation offers a natural explanation for the thickness-driven metal-nonmetal transition in thin films based on the variation of film stoichiometry.

研究の動機と目的

• SrTiO3 (001)基板上に形成されたLa2/3Sr1/3MnO3薄膜における金属-絶縁体転移の構造的および電子的起源を理解すること。
• 原子スケール分解能で界面混合および表面化学的セグリゲーションを特徴づけること。
• 酸化物ヘテロ構造において、膜厚、表面化学 stoichiometry、および電気的伝導度の相関関係を明らかにすること。
• 超薄膜マンガン酸化物における膜厚依存的絶縁体挙動を説明する構造-性質関係を確立すること。

提案手法

• 表面および界面における深さ依存の化学状態および価電子帯アライメントをプローブするためのin-situ角度分解X線光電子分光法（ARXPS）
• 薄膜の結晶性、配向性、および応力を評価するためのex-situX線回折（XRD）
• 走査型透過電子顕微鏡（STEM）と電子エネルギー損失分光法（EELS）を組み合わせた原子分解能における化学的および構造的分析
• 膜厚と伝導度、金属-絶縁体転移の相関関係を明らかにするための電気的輸送測定
• 膜厚の関数として表面近傍におけるSr濃度のずれを分析
• 表面終末が(La/Sr)Oであるモデルを用いて、表面化学およびその電子的性質への影響を解釈

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La2/3Sr1/3MnO3/SrTiO3ヘテロ構造における界面混合は、電子的性質にどのように影響するか？
• RQ2 膜厚の関数として、La2/3Sr1/3MnO3薄膜表面におけるSrのセグリゲーションの範囲および化学的性質は何か？
• RQ3 バルク状態のLa2/3Sr1/3MnO3が金属的であるにもかかわらず、20ユニットセル未満の薄膜が絶縁体的挙動を示すのはなぜか？
• RQ4 (La/Sr)O終末とMnO2終末の違いが、電子構造および伝導度にどのように影響するか？
• RQ5 膜厚そのものではなく、表面近傍の化学 stoichiometry のずれが、金属-絶縁体転移を支配する程度はどの程度か？

主な発見

• 20ユニットセル以上の膜厚のLa2/3Sr1/3MnO3薄膜では、SrTiO3との界面混合が最大で1ユニットセルに制限されており、明確な界面が存在することが示された。
• 表面近傍には少なくとも3ユニットセルのSrセグリゲーションが観察され、これは(La/Sr)O終末表面であり、膜厚に依存する性質を示した。
• 膜厚に依存しない、厚さ約6.5 ± 0.9ユニットセルの非金属的層が同定され、表面近傍のSr濃度のずれが主な要因であることが判明した。
• 20ユニットセル未満の膜では、表面が(MnO2を含む)混合(La/Sr)O終末相に移行し、これが絶縁体的挙動に寄与している。
• 10ユニットセル未満の膜では、化学成分の著しいずれが生じ、これが絶縁体的挙動を引き起こしており、膜厚に依存する金属-絶縁体転移のメカニズムが解明された。
• 金属-絶縁体転移は、膜厚そのものではなく、特にSrのセグリゲーションおよび非化学计量的な表面層に起因するものであると結論づけられた。