[논문 리뷰] Making BaZrS3 chalcogenide perovskite thin films by molecular beam epitaxy

Ida Sadeghi, Kevin Ye외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 분자비임의외피성장(MBE)을 통해 라라알루마이드(LaAlO3) 기질 상에서 고질량, 에피택셜 BaZrS3 셀레니드 퍼보스카이트 박막을 성공적으로 성장시켰으며, 원자 스케일의 매끄러움, 거의 완벽한 스토이키오메트리 및 원자적으로 날카로운 인터페이스를 달성하였다. 이 작업은 자가 조립된 응력 완화층을 포함하는 버퍼 에피택셜 성장과 직접적인 회전된 큐브-온-큐브 에피택셜 성장이라는 두 가지 경쟁적 성장 모드를 규명하였으며, 응력 및 조성 제어가 가능한 셀레니드 퍼보스카이트 반도체의 길을 열었다.

ABSTRACT

We demonstrate the making of BaZrS3 thin films by molecular beam epitaxy (MBE). BaZrS3 forms in the orthorhombic distorted-perovskite structure with corner-sharing ZrS6 octahedra. The single-step MBE process results in films smooth on the atomic scale, with near-perfect BaZrS3 stoichiometry and an atomically-sharp interface with the LaAlO3 substrate. The films grow epitaxially via two, competing growth modes: buffered epitaxy, with a self-assembled interface layer that relieves the epitaxial strain, and direct epitaxy, with rotated-cube-on-cube growth that accommodates the large lattice constant mismatch between the oxide and the sulfide perovskites. This work sets the stage for developing chalcogenide perovskites as a family of semiconductor alloys with properties that can be tuned with strain and composition in high-quality epitaxial thin films, as has been long-established for other systems including Si-Ge, III-Vs, and II-Vs. The methods demonstrated here also represent a revival of gas-source chalcogenide MBE.

연구 동기 및 목표

• BaZrS3 셀레니드 퍼보스카이트 박막을 위한 고품질 에피택셜 성장 방법을 개발하기 위해.
• 산화물-황화물 이질에피택셜 성장에서의 격자 불일치 및 응력 문제를 극복하기 위해.
• 전자적 성질이 조절 가능한 재료로서의 셀레니드 퍼보스카이트에 대해 분자비임의외피성장(MBE)의 가능성을 입증하기 위해.
• 응력 완화와 고품질 박막 형성에 기여하는 이중 성장 메커니즘—버퍼 및 직접 에피택셜 성장—을 탐색하기 위해.
• 응력 및 조성 제어를 통한 셀레니드 퍼보스카이트 합금의 전자적 및 광학적 성질을 설계하기 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• LaAlO3 기질 상에서 BaZrS3 박막을 단일 공정으로 MBE를 이용해 성장시켰다.
• Ba 및 Zr는 고체원료 증발 셀을, 황은 고체원료 AsS4 원료를 사용하여 유량 정밀 제어를 가능하게 하였다.
• 표면 형태 및 결정학적 정렬을 추적하기 위해 실시간 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)을 사용하여 성장 과정을 모니터링하였다.
• 두 가지 다른 메커니즘을 통해 에피택셜 성장을 달성하였으며, 자가 조립된 인터페이스층을 포함하는 버퍼 에피택셜 성장과 직접적인 회전된 큐브-온-큐브 에피택셜 성장이다.
• 박막 품질과 구조를 확인하기 위해 현장 및 외부에서의 특성 분석을 수행하였으며, X선 회절, 투과전자현미경, 전자역산산란을 포함하였다.
• 스토이키오메트리 제어 및 오염 최소화를 위해 초고진공 조건을 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자비임의외피성장(MBE)을 통해 BaZrS3 셀레니드 퍼보스카이트 박막을 고결정성과 정밀한 스토이키오메트리로 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 격자 불일치가 있는 기질인 LaAlO3 상에서 에피택셜 박막 형성의 주요 성장 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 성장 과정에서 인터페이스 구조는 어떻게 변화하며, 응력 완화는 박막 품질에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 버퍼 및 직접 에피택셜 성장이라는 이중 성장 모드를 실험적으로 구별하고 제어할 수 있는가?
• RQ5 미래의 이질구조 응용을 위해 박막 품질과 인터페이스의 날카움을 어느 정도 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 공정 MBE 공정을 통해 원자 스케일의 매끄러움과 거의 완벽한 스토이키오메트리로 BaZrS3 박막이 성장되었다.
• LaAlO3 기질과의 인터페이스가 원자적으로 날카로워 고품질의 인터페이스를 나타내었다.
• 두 가지 경쟁적 에피택셜 성장 모드가 확인되었으며, 응력 완화를 위한 자가 조립된 인터페이스층이 포함된 버퍼 에피택셜 성장과 격자 불일치를 수용하는 직접적인 회전된 큐브-온-큐브 에피택셜 성장이다.
• 박막은 모서리가 공유되는 ZrS6 옥타에드론을 포함한 오르토로브릭 변형 퍼보스카이트 구조를 유지하였다.
• MBE 공정은 셀레니드 퍼보스카이트의 성장을 성공적으로 가능하게 하였으며, 기능성 산화물-반도체 이질구조에 대한 기체원료 셀레니드 MBE의 부활을 의미한다.
• 결과적으로 응력 및 조성 제어가 가능한 셀레니드 퍼보스카이트 반도체의 길을 확립하였으며, 기존의 Si-Ge 및 III-V 계열 시스템과 유사한 방식으로 응용 가능성을 열었다.