[논문 리뷰] Growth of metallic delafossite PdCoO2 by molecular beam epitaxy

Matthew Brahlek, Gaurab Rimal외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 29.

Copper-based nanomaterials and applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 분자비임펄스외피택시(MBE)와 후처리 열처리를 조합하여 고질량 에pitaxial PdCoO2 박막의 성장을 성공적으로 구현하였으며, Pd 산화 및 상 분리 문제를 극복하였다. 이 방법은 금속성 전도성을 갖는 박막을 얻었으며, 두께가 75 nm 이하일 경우 표면 산란에 의해 저항도가 두께에 반비례하여 변화하고, 75 nm 이상일 경우 구조적 트윈에 의해 제한되는 구조적 특성에 의해 균일한 부스러기 값에 가까워진다.

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.

연구 동기 및 목표

• PdCoO2의 열역학적 불안정성으로 인해 이전에 성공하지 못했던 분자비임펄스외피택시(MBE) 기법을 사용하여 에피택셜 금속성 델라포스라이트 PdCoO2 박막을 성장시키는 것.
• MBE 성장 중 PdCoO2가 Co 산화물과 금속성 Pd로 분해되는 것을 유도하는 상 분리 문제를 해결하는 것.
• 결함 최소화와 산화 상태 제어를 통해 PdCoO2 박막의 고전자 품질을 확보하는 것.
• 저항도의 두께 의존성과 초박막 영역에서 지배적인 산란 메커니즘을 규명하는 것.
• 후처리 고온 열처리가 박막 품질과 전자적 성질을 향상시킨다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 반응성 원자 산소를 이용한 저온(300 °C) 원자층별 MBE 성장으로 화학스토이키오메트리 조절 및 Pd 산화 방지를 위한 방법.
• 결정성 향상과 결함 감소를 위한 후처리 고온 열처리 적용.
• 에피택셜 정렬을 확보하기 위해 격자 매칭이 이루어진 단일결정 기질에의 성장.
• 층층성장 여부를 확인하기 위해 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)을 이용한 인-사이트 모니터링.
• X선 회절, 투과전자현미경, 전기적 운반성 측정을 통한 특성 분석.
• 성장 중 PdCoO2 상의 안정화를 위한 산소 유량과 기질 온도의 제어.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 MBE 조건에서 PdCoO2가 열역학적으로 불안정한데도 불구하고 분자비임펄스외피택시(MBE) 기법을 사용하여 고품질 에피택셜 PdCoO2 박막을 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 후처리 열처리가 PdCoO2 박막의 구조적 및 전자적 품질 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 박막 두께가 저항도에 미치는 영향은 어떠한가? 초박막 영역(<75 nm)에서 지배적인 산란 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 구조적 트윈과 같은 구조적 결함이 두꺼운 박막에서 저온 저항도를 제한하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 박막의 전기적 성질이 부스러기 PdCoO2 결정의 성질에 얼마나 가까워지는가?

주요 결과

• 5에서 265 nm의 두께를 가진 PdCoO2 박막이 저온 MBE와 후처리 열처리를 통해 성공적으로 성장되었으며, 높은 결정 품질을 확보하였다.
• 박막 영역(<75 nm)에서 저항도는 두께에 반비례하여 변화하며, 표면 산란이 지배적인 영향을 미친다.
• 75 nm 이상 두께의 박막에서는 실온에서 저항도가 부스러기 값에 가까워지며, 높은 전자 품질을 확인하였다.
• 저온 저항도는 구조적 트윈이 산란 중심으로 작용하여 제한된다.
• 후처리 열처리가 박막 품질을 크게 향상시켜 금속성 거동을 유도하고 결함 농도를 감소시켰다.
• 이 방법은 2차원 전자 구조를 갖는 고품질 금속성 델라포스라이트 산화물의 성장에 실현 가능한 길을 제시한다.