[논문 리뷰] Selective control of oxygen sublattice stability by epitaxial strain in Ruddlesden-Popper films

Tricia L. Meyer, Lu Jiang외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 27.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 52인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial 인장 응력이 루드레스덴-파커 상 La1.85Sr0.15CuO4 (LSCO) 필름에서 산소 공여자를 선택적으로 안정화시켜, 공여자 생성에 대한 구리프 자유 에너지를 감소시키고, 등방성 산소 위치에 우선적으로 점유되게 한다. 기존의 격자 팽창과는 달리, 국소적 구조적 반응으로 인해 격자가 수축되는 결과를 초래하며, 복잡한 산화물에서 응력 제어 산소 비스토이키오메트리에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 응력이 복합 산화물 필름에서 산소 공여자 생성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 응력 하에서 산소 비스토이키오메트리에 대한 루드레스덴-파커 상의 구조적 반응을 조사하기 위해.
• 다양한 결합 환경을 가진 다층 산화물에서 산소 공여자가 형성될 때 격자 거동에 대한 모순을 해결하기 위해.
• 응력 공 ing을 통한 산소 서브격자 안정성의 선택적 제어 메커니즘을 수립하기 위해.
• 기능성 산화물 재료의 구조-성질 상관관계에 대한 새로운 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• La1.85Sr0.15CuO4 (LSCO)의 에피택셜 박막을 인장 응력을 유도하는 기질에 성장시켰다.
• X선 회절 및 공 resonant 소프트 X선 산산을 사용하여 격자 상수와 산소 공여자 분포를 탐사했다.
• 일반 원리 계산을 활용하여 응력 하에서 산소 공여자 생성의 구리프 자유 에너지를 평가했다.
• 스펙트로스코픽 및 산산 기법을 사용하여 특정 위치의 산소 공여자 국소화를 분석했다.
• 에너지 최소화 모델을 통해 응력 의존성 산소 서브격자 열역역학적 안정성을 평가했다.
• 축상 대 등방성 산소 공여자 효과가 격자 부피에 미치는 영향을 비교 분석했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에피택셜 인장 응력은 루드레스덴-파커 산화물에서 산소 공여자 생성의 열역학적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 응력이 가해진 LSCO 필름에서 산소 공여자 형성이 팽창 대신 수축을 유도하는가?
• RQ3 어느 산소 위치(등방성 또는 축상)가 인장 응력 하에서 공여자를 우선적으로 수용하는가?
• RQ4 루드레스덴-파커 상의 다층 구조는 산소 비스토이키오메트리에 대한 전통적인 격자 반응을 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 에피택셜 응력이 산소 서브격자 안정성의 선택적 제어에 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 인장 응력은 LSCO 필름에서 산소 공여자 생성의 구리프 자유 에너지를 크게 감소시켜, 일반 성장 온도에서 큰 산소 비스토이키오메트리가 가능하게 한다.
• 산소 공여자는 축상 산소 위치보다 구리 산화물 평면 내 등방성 산소 위치에 우선적으로 형성된다.
• 등방성 위치에서의 공여자 형성은 기존 산화물에서 예상되는 팽창과는 달리 격자 수축을 유도한다.
• 격자 반응은 강하게 이방성이 있으며, 국소적 구조적 완화로 인해 주로 c축 방향에서 수축이 발생한다.
• 관찰된 행동은 특정 산소 서브격자를 응력에 의해 안정화시켜, 공여자 생성과 전체 격자 팽창을 분리시킨다.
• 이 선택적 제어 메커니즘은 복잡한 산화물에서 산소 비스토이키오메트리 및 기능성 성질을 정밀하게 공 ing하는 길을 열어준다.