[論文レビュー] Making BaZrS3 chalcogenide perovskite thin films by molecular beam epitaxy

Ida Sadeghi, Kevin Ye+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Perovskite Materials and Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、分子線 epitaxy (MBE) を用いて、LaAlO3 サブストレート上に原子スケールの滑らかさ、ほぼ完全な化学 Stoichiometry、および原子的に明確な界面を有する高品質でエpitaxialな BaZrS3 chalcogenide perovskite 薄膜の成長に成功した。本研究は、自己集合した応力緩和層を有するバッファードエピタキシーと、直接回転立方体対立方体エピタキシーの2つの競合する成長モードを明らかにし、応力および組成制御可能な chalcogenide perovskite 半導体の実現に道筋を示した。

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.

研究の動機と目的

• BaZrS3 chalcogenide perovskite 薄膜の高品質エピタキシャル成長法の開発を目的とする。
• 酸化物-硫化物ヘテロエピタキシーにおける格子不整合と応力の課題を克服することを目的とする。
• 分子線エピタキシー (MBE) を用いた chalcogenide perovskite の成長可能性を実証することを目的とする。これは、電子的性質を調整可能な材料群に属する。
• 応力緩和と高品質な薄膜形成を可能にする二重の成長メカニズム（バッファードエピタキシーと直接エピタキシー）を探索することを目的とする。
• 応力および組成制御による chalcogenide perovskite アロイの電子的および光学的性質の設計に基盤を築くこと。

提案手法

• LaAlO3 サブストレート上に BaZrS3 薄膜を単一工程の MBE を用いて成長させた。
• Ba および Zr のために固体源蒸発セルを、S のために固体源 AsS4 ソースを用い、正確なフラックス制御を実現した。
• 表面の粗さと結晶指向を追跡するために、反射高エネルギー電子線回折 (RHEED) を用いて成長過程をリアルタイムでモニタリングした。
• 2種類の異なるメカニズムによりエピタキシャル成長を達成した：自己集合した界面層を有するバッファードエピタキシーと、直接回転立方体対立方体エピタキシー。
• 薄膜の品質と構造を確認するために、in-situ および ex-situ の特性評価を X線回折、透過型電子顕微鏡、電子バックスキャッタードディフラクションを用いて実施した。
• 化学 Stoichiometry の制御と汚染の低減を確保するため、超高真空状態を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子線エピタキシーを用いて、BaZrS3 chalcogenide perovskite 薄膜を高結晶性かつ正確な化学 Stoichiometry で成長させることは可能か？
• RQ2 LaAlO3 のような不整合なサブストレート上でのエピタキシャル薄膜形成を支配する主要な成長メカニズムは何か？
• RQ3 成長過程における界面構造はどのように進化するのか？また、応力緩和は薄膜品質にどのような役割を果たすのか？
• RQ4 バッファードエピタキシーと直接エピタキシーの二重の成長モードは、実騹的に区別可能で制御可能か？
• RQ5 今後のヘテロ構造応用を想定した場合、薄膜品質および界面の明確さはどの程度最適化可能か？

主な発見

• 単一工程の MBE プロセスを用いて、原子スケールの滑らかさとほぼ完全な化学 Stoichiometry を有する BaZrS3 薄膜が成長した。
• 薄膜は LaAlO3 サブストレートと原子的に明確な界面を示し、高い界面品質を示した。
• 2つの競合するエピタキシャル成長モードが同定された：自己集合した界面層を有するバッファードエピタキシー（応力緩和を促進）と、格子不整合を許容する直接回転立方体対立方体エピタキシー。
• 薄膜は、隅付き共有の ZrS6 オクテイドラが形成する正方晶歪みを有するペロブスカイト構造を維持した。
• MBE プロセスにより chalcogenide perovskite の成長に成功し、機能的酸化物-半導体ヘテロ構造へのガス源を用いた chalcogenide MBE の復活を示した。
• 本結果により、Si-Ge や III-V と同様に、応力および組成制御可能な chalcogenide perovskite 半導体の実現に向けた道筋が確立された。