[논문 리뷰] Surface and Interface Properties of La2/3Sr1/3MnO3 Thin Films on SrTiO3 (001)

Lina Chen, Zhen Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 10.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라운드산산화물(001) 기반 박막에 대한 La2/3Sr1/3MnO3 박막의 표면 및 인터페이스 특성을 실시간 및 외부 측정 기법을 사용하여 조사한다. 표면에서 (La/Sr)O 종말화된 표면에서의 스트리온(Sr) 분리(~3 단위 세포)와 인터페이스 혼합(~1 단위 세포)이 두께에 따라 변화하는 금속-절연체 전이를 지배하며, 표면 근처의 스토이히오메트릭 편차로 인해 두께가 20 단위 세포 이하인 박막에서는 비금속적 거동가 나타남을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• La2/3Sr1/3MnO3 박막이 SrTiO3 (001) 기반에 존재할 때 금속-절연체 전이의 구조적 및 전자적 기원을 이해하기 위해.
• 원자 스케일 해상도에서 인터페이스 혼합 및 표면 화학적 분리 현상을 특성화하기 위해.
• 산화물 이종구조에서 박막 두께, 표면 스토이히오메트릭 비율, 전기 전도도 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 초박막 망간산염 박막에서 두께에 따라 변화하는 절연체 거동을 설명하는 구조-성질 상관관계를 수립하기 위해.

제안 방법

• 표면 및 인터페이스의 깊이에 따른 화학 상태와 최고 에너지 밴드 정렬을 분석하기 위해 실시간 각도 분해 X선 광전자 분광법(ARXPS)을 사용함.
• 박막의 결정성, 정렬 및 응력 상태를 평가하기 위해 외부 측정 X선 회절(XRD)을 사용함.
• 원자 해상도의 화학적 및 구조적 분석을 위해 스캐닝 투과 전자 현미경(STEM)과 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 조합함.
• 박막 두께와 전도도, 금속-절연체 전이 간의 상관관계를 규명하기 위해 전기 전도도 측정을 수행함.
• 박막 두께에 따라 표면 근처에서 스트리온 농도 편차를 분석함.
• 표면 화학 및 전자적 성질에 미치는 영향을 해석하기 위해 (La/Sr)O 표면 종말화 모델을 활용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La2/3Sr1/3MnO3/SrTiO3 이종구조에서 인터페이스 혼합은 전자적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 La2/3Sr1/3MnO3 박막 표면에서 스트리온 분리의 범위와 화학적 성격은 박막 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 왜 두께가 20 단위 세포 이하인 박막은 부피 상태의 La2/3Sr1/3MnO3가 금속적임에도 불구하고 절연체 거동을 보이는가?
• RQ4 (La/Sr)O 종말화와 MnO2 종말화 간의 표면 종말화 방식이 전자 구조 및 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 두께 자체가 아니라 표면 근처의 스토이히오메트릭 편차가 금속-절연체 전이를 얼마나 결정짓는가?

주요 결과

• 20 단위 세포 이상 두꺼운 La2/3Sr1/3MnO3 박막에서는 SrTiO3와의 인터페이스에서 최대 1 단위 세포의 혼합만 관찰되어 날카운 인터페이스를 나타냄.
• (La/Sr)O 종말화된 표면 근처에서 최소 3 단위 세포의 스트리온 분리가 관찰되었으며, 이는 두께에 따라 변화함.
• 전체 박막 두께와는 무관하게 두께 약 ~6.5 ± 0.9 단위 세포의 비금속층이 확인되었으며, 주로 표면 근처의 스트리온 농도 편차에 의해 주도됨.
• 20 단위 세포 이하에서는 표면이 (La/Sr)O 종말화 상과 MnO2 종말화 상이 혼합된 상태로 전이되며, 이는 절연체 거동에 기여함.
• 10 단위 세포 이하의 박막에서는 화학 조성의 강한 편차로 인해 절연체 거동이 발생하며, 이는 두께 기반 금속-절연체 전이를 설명함.
• 금속-절연체 전이는 박막 두께 자체 때문이 아니라 표면 스토이히오메트릭 편차, 특히 스트리온 분리와 비스토이히오메트릭 표면층에 기인함.