[論文レビュー] Synthesis of Perovskite SrIrO3 Thin Films by Sputtering Technique

Z.Z. Li, Olivier Schneegans+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、SrTiO3 (001)基板上でのラジオ周波数マグネトロンスパッタリングを用いて、高品質で単相、エピタキシャルなSrIrO3薄膜の初回の成功した合成を示した。薄膜は(110)面方位を示し、(001)および(1-10)面が面内に存在し、原子的に滑らかで、基板と優れた格子整合性を示しており、スケーラブルで再現性のある酸化物薄膜成長技術としての有効性が確認された。

ABSTRACT

We report on the synthesis of perovskite SrIrO3 thin films using sputtering technique. Single phase (110) oriented SrIrO$_3$ thin films were epitaxially grown on SrTiO3 (001) substrate. Using off-axis XRD $θ-2θ$ scans, we demonstrate that these films exhibit (110) out-of-plane orientation with (001) and (1-10) lying in-plane. The sputtering grown thin films have a smooth, homogeneous surface, and excellent coherent interface with the substrate.

研究の動機と目的

• 物理蒸着法を用いて、スケーラブルで再現性のある高品質なSrIrO3薄膜の成長法を開発すること。
• スズ酸化物薄膜の不安定性および非化学 Stoichiometry を克服するため、非化学 Stoichiometric なSr4IrO6ターゲットを用いること。
• SrTiO3 (001)基板上でのSrIrO3のエピタキシャル成長を、制御された方位と構造的整合性を伴って達成すること。
• 高度なXRD技術を用いて、スパッタリング法で得たSrIrO3薄膜の結晶学的方位とエピタキシャル品質を検証すること。
• 複雑酸化物薄膜の成長において、分子線エpitaxial法やパルスレーザー蒸着法の代替手段としてスパッタリングを実用的であるとすること。

提案手法

• スズの損失を補償するため、Sr4IrO6ターゲットを用いたRFマグネトロンスパッタリングを実施した。
• 基板は事前に超音波洗浄およびプラズマ処理を施した後、610 °Cに加熱した。
• 全圧210 mTorr、Ar/O2 (1:2)ガス混合比の下で、40 mmのターゲット-基板距離でスパッタリングを実施した。
• 面内および面外の結晶学的方位を特定するために、45°のサンプルチルトを用いたオフアライスθ-2θXRDスキャンを実施した。
• 逆空間マッピング（RSM）を用いて、薄膜と基板間の格子整合性と一致するエピタキシャルストレインを確認した。
• X線反射率およびキッシグフリンジ解析を用いて、高精度な薄膜厚さの測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFスパッタリングという、これまでこのペロブスカイトに対して報告のなかったスケーラブルな手法を用いて、高品質で単相のSrIrO3薄膜を合成可能か？
• RQ2 SrTiO3 (001)基板上にスパッタリング法で成長させたSrIrO3薄膜の結晶学的方位は何か？他の堆積法と比較してどうか？
• RQ3 薄膜はSrTiO3基板とどの程度エピタキシャル整合性と格子一致を示すか？
• RQ4 Sr4IrO6ターゲットの使用が、スパッタリング法によるSrIrO3薄膜の化学 Stoichiometry と相純度にどのように影響するか？
• RQ5 100 nmまでの厚さにおいて、スパッタリング法で成長させたSrIrO3薄膜は、相分離を示さずに構造的安定性と高品質を維持できるか？

主な発見

• Sr4IrO6ターゲットを用いたRFスパッタリングにより、SrTiO3 (001)基板上に単相でエピタキシャルなSrIrO3薄膜が成功裏に成長した。
• オフアライスXRDにより、(110)面が面外方位であり、(001)および(1-10)方向が基板面内に存在することが確認された。
• 100 nm薄膜の面外格子間隔4.038 Åは、バルクSrIrO3と一致しており、PLD法で成長した薄膜の値とも一致した。
• 100 nm薄膜の(220)反射に対するロッキングカーブFWHMが0.035°であることは、優れた面外結晶配列を示している。
• 逆空間マッピングにより、SrIrO3薄膜とSrTiO3基板との間で完全な面内格子整合性が確認され、Qx値が同一であった。
• 薄膜は大気中でも相純度を保ち、数ナノメートルの極めて薄い厚さでも安定していた。これは、カプセル化を要するPLD法で成長した薄膜とは対照的であった。