[논문 리뷰] Synthesis of Perovskite SrIrO3 Thin Films by Sputtering Technique

Z.Z. Li, Olivier Schneegans외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 12.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 스트론티타늄산살리우스(001) 기질 위에서 라디오 주파수 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 고품질의 단일 상 에피택셜 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막을 처음으로 성공적으로 합성한 바 있다. 이 얄막은 (110) 방향의 축외 방향을 보이며, 평면 내로 (001) 및 (1-10) 방향을 가지며, 원자적으로 평탄하고 기질과 뛰어난 격자 일치를 보여, 이 기술이 확장 가능하고 재현 가능한 산화물 얄막 성장에 적합함을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 물리적 증착을 이용한 고품질의 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막을 확장 가능하고 재현 가능한 방법으로 성장시키는 것.
• 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막의 증착 중에 발생하는 비스토이히오메트리 및 불안정성 문제를 해결하기 위해 비스토이히오메트릭인 스트론티르리티오산(Sr4IrO6) 타겟을 사용하는 것.
• 스트론티타늄산(SrTiO3) (001) 기질 위에서 스트론티르리티오산(SrIrO3)의 에피택셜 성장을 제어된 정렬과 구조적 일치를 통해 달성하는 것.
• 고급 X선 회절(XRD) 기법을 사용하여 스퍼터링된 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막의 결정학적 정렬 및 에피택셜 품질을 검증하는 것.
• 스퍼터링을 복합 산화물 얄막 성장에 대해 분자비드 에피택시 또는 펄스 레이저 증착과의 대안으로 확립하는 것.

제안 방법

• 스트론티르리티오산(SrIrO3) 증착 중 발생하는 스트론티움 손실을 보완하기 위해 스트론티르리티오산(Sr4IrO6) 타겟을 사용한 RF 마그네트론 스퍼터링을 실시하였다.
• 기질는 증착 이전에 초음파 세척 및 플라즈마 처리를 통해 세척하고 610 °C로 가열하였다.
• 스퍼터링은 총 압력 210 mTorr, 아르곤/산소 비율 1:2의 가스 혼합물에서 실시하였으며, 타겟과 기질 사이의 거리는 40 mm였다.
• 기울인 각도 45°의 오프애크스 θ-2θ X선 회절(XRD) 스캔을 통해 평면 내 및 축외의 결정학적 정렬을 결정하였다.
• 역공간 맵핑(Reciprocal Space Mapping, RSM)을 사용하여 얄막과 기질 간의 공명적인 에피택셜 응력과 격자 일치를 확인하였다.
• X선 반사도 및 키에시그 프리징 분석을 통해 높은 정밀도로 얄막 두께를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퍼터링을 이용한 고품질의 단일 상 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막을 합성할 수 있는가? 이는 이 페로브스카이트에 대해 이전에 보고되지 않은 확장 가능한 기술이다.
• RQ2 스퍼터링된 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막의 결정학적 정렬은 어떻게 되며, 다른 증착 방법과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 이 얄막은 스트론티타늄산(SrTiO3) 기질과 얼마나 높은 수준의 에피택셜 일치와 격자 일치를 보이는가?
• RQ4 Sr4IrO6 타겟의 사용이 스퍼터링된 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막의 스토이히오메트리 및 상 순도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스퍼터링된 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막은 100 nm 두께까지 상 분리 없이 구조적 안정성과 고품질을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 스퍼터링을 통해 Sr4IrO6 타겟을 사용하여 스트론티타늄산(SrTiO3) (001) 기질 위에 단일 상의 에피택셜 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막을 성공적으로 성장시켰다.
• 기울인 X선 회절(XRD)을 통해 얄막은 축외로 (110) 방향을 가지며, 기질 평면 내로 (001) 및 (1-10) 방향이 존재함을 확인하였다.
• 100 nm 두께의 얄막에서 축외 격자 간격 4.038 Å는 부피상 스트론티르리티오산(SrIrO3)과 일치하며, PLD로 성장된 얄막의 값과도 일치한다.
• 100 nm 두께의 얄막에서 (220) 피크의 록킹 커브 FWHM 값이 0.035°로 매우 우수한 축외 결정 정렬을 나타낸다.
• 역공간 맵핑(RSM)을 통해 스트론티르리티오산(SrIrO3) 얄막과 스트론티타늄산(SrTiO3) 기질 간의 완전한 평면 내 격자 일치가 확인되었으며, Qx 값이 동일하였다.
• 이 얄막은 대기 중에서도 상순수성과 안정성을 유지하였으며, 몇 나노미터 두께에서조차도 PLD로 성장된 얄막이 필요로 하는 봉쇄 조치 없이도 안정하였다.