[논문 리뷰] The origin of the dead-layer at the La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 interface and dead-layer reduction via interfacial engineering

Rui Peng, Han Xu외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 21.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 39인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 라운드산화물/스트론티아티타늄 산화물 이중구조에서 표면 전기다극장에 의해 유도된 내재된 산소 공석이 초박공막에서 강자성 및 금속성의 열화를 초래하는 사망층 현상의 근본 원인임을 규명한다. 오존 보조 분자빔 에pitaxial 기술을 통해 단일 원자층 수준에서 표면 스트론티아 도핑을 공학함으로써 산소 공석을 감소시키고 사망층을 억제하여, 6 단위세포까지 금속적 거동을 달성함으로써 최소 임계 두께 기록을 수립한다.

ABSTRACT

Transition metal oxide hetero-structure has great potential for multifunctional devices. However, the degraded physical properties at interface, known as dead-layer behavior, present a main obstacle for device applications. Here we present the systematic study of the dead-layer behavior in La0.67Sr0.33MnO3 thin film grown on SrTiO3 substrate with ozone assisted molecular beam epitaxy. We found that the evolution of electric and magnetic properties as a function of thickness shows a remarkable resemblance to the phase diagram as a function of doping for bulk materials, providing compelling evidences of the hole depletion in near interface layers that causes dead-layer. Detailed electronic and surface structure studies indicate that the hole depletion is due to the intrinsic oxygen vacancy formation. Furthermore, we show that oxygen vacancies are partly caused by interfacial electric dipolar field, and thus by doping-engineering at the single-atomic-layer level, we demonstrate the dead-layer reduction in films with higher interfacial hole concentration.

연구 동기 및 목표

• 초박공막 LSMO/STO 이중구조에서의 사망층 거동의 근본 원인을 규명하는 것.
• 산소 공석과 같은 내재 결함이 정공 농도 감소 및 강자성 및 금속성 특성 열화의 원인인지 확인하는 것.
• 원자층 도핑을 통한 표면 공학이 산소 공석 형성과 사망층 효과를 억제할 수 있는지 조사하는 것.
• 표면 잠재력 차이, 산소 공석 형성, 초박공막에서 관찰된 상전이 간의 관계를 연결하는 예측 모델을 수립하는 것.

제안 방법

• 고품질, 스토이히오메트릭인 LSMO 막을 TiO2-종결된 스트론티아티타늄 산화물 기판에 오존 보조 분자빔 에pitaxial(OMBE) 기술을 사용해 원자층 정밀도로 성장시켰다.
• 성장 중에 막 두께 및 표면 품질을 모니터링하고 校정하기 위해 현장에서 반사 고에너지 전자 회절(RHEED) 및 X선 반사도를 활용했다.
• 횡단형 투과전자현미경(TEM)을 통해 초박공막(예: 7 u.c. LSMO)의 에피택셜 품질과 두께를 확인했다.
• 산소 2p–망간 3d 혼성 궤도 분석 및 망간 산화수 분석을 위해 X선 광전자분광법(XPS)을 사용하여 산소 공석으로 인한 전자 구조 변화를 규명했다.
• 총 막 조성을 일정하게 유지하면서도 첫 번째 몇 층에서 스트론티아 농도(x1)를 변화시켜 표면에서 원자층 수준의 스트론티아 도핑을 공학적으로 설계했다.
• 표면 잠재력 차이와 산소 공석 형성 간의 관계를 연결하는 단순 모델을 수립하였으며, 이는 희토류 전이 온도 및 저항도의 실험적 경향성으로 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박공막 LSMO/STO 이중구조에서 사망층 거동의 원인은 무엇이며, 특히 두께 감소에 따라 강자성 및 금속성이 억제되는 이유는 무엇인가?
• RQ2 산소 공석이 정공 농도 감소 및 그로 인한 전자적·자기적 특성 열화에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 표면 전기다극장이 LSMO/STO 인터페이스에서 내재된 산소 공석 형성에 기여하는가?
• RQ4 원자 척도의 표면 스트론티아 도핑 공학이 산소 공석을 감소시키고 초박공막에서 금속성 및 강자성을 복원할 수 있는가?
• RQ5 산소 공석 농도가 현저히 감소한 전기적 균형을 가진 막에서도 사망층이 지속되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• LSMO/STO 이중구조에서의 사망층은 표면 전기다극장에 의해 유도된 내재된 산소 공석으로 인해 발생하며, 이로 인해 인터페이스 근처 층에서 정공 농도가 감소한다.
• 초박공막 LSMO 막의 상도도는 도핑 농도에 따라 변화하는 부동체 La1-xSrxMnO3의 상도도와 밀도 있게 유사하여, 정공 농도 감소가 사망층의 주요 메커니즘임을 확인한다.
• 첫 번째 원자층에서 스트론티아 도핑(x1 = 0.83 또는 1)을 통해 산소 공석을 감소시키고 사망층을 억제하여, 6 단위세포까지 금속적 거동을 달성했다.
• 표면 공학을 통해 6.8 u.c. 막에서는 희토류 전이 온도가 최대 54 K 상승하였고, 7 u.c. 막에서는 38.5 K 상승하여 강자성 향상이 확인되었다.
• 저온에서의 저항도는 6.8 u.c. 막에서 기존 막 대비 7.8%로 감소하였고, 9 u.c. 막에서는 78.8%로 감소하여 금속성 향상이 확인되었다.
• 다시 말해, 산소 공석은 여전히 약 70% 수준으로 잔류하며, 산소 2p–망간 3d 혼성 궤도 에너지가 0.22 eV 이동한 것으로 나타나, 6.3 u.c. 공학된 막에서 잔류 절연 거동의 원인을 설명한다.