[论文解读] Growth of metallic delafossite PdCoO2 by molecular beam epitaxy

Matthew Brahlek, Gaurab Rimal+9 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Copper-based nanomaterials and applications被引用 7

一句话总结

该论文展示了通过分子束外延（MBE）结合退火处理，成功生长出高质量的外延PdCoO2薄膜，克服了钯氧化和相分离等挑战。该方法制备的薄膜表现出金属导电性，其电阻率在厚度低于75 nm时与厚度成反比，归因于表面散射；在厚度超过75 nm时，电阻率趋近体材料值，受限于低温下的结构孪晶。

ABSTRACT

The Pd, and Pt based ABO2 delafossites are a unique class of layered, triangular oxides with 2D electronic structure and a large conductivity that rivals the noble metals. Here, we report successful growth of the metallic delafossite PdCoO2 by molecular beam epitaxy (MBE). The key challenge is controlling the oxidation of Pd in the MBE environment where phase-segregation is driven by the reduction of PdCoO2 to cobalt oxide and metallic palladium. This is overcome by combining low temperature (300 °C) atomic layer-by-layer MBE growth in the presence of reactive atomic oxygen with a post-growth high-temperature anneal. Thickness dependence (5-265 nm) reveals that in the thin regime (<75 nm), the resistivity scales inversely with thickness, likely dominated by surface scattering; for thicker films the resistivity approaches the values reported for the best bulk-crystals at room temperature, but the low temperature resistivity is limited by structural twins. This work shows that the combination of MBE growth and a post-growth anneal provides a route to creating high quality films in this interesting family of layered, triangular oxides.

研究动机与目标

• 利用分子束外延（MBE）技术外延生长金属型层状氧化物PdCoO2薄膜，该技术此前因氧化挑战而未能成功应用于此材料。
• 克服MBE生长过程中PdCoO2还原为钴氧化物和金属钯所引发的相分离问题。
• 通过最小化缺陷和控制氧化态，实现PdCoO2薄膜的高电子品质。
• 研究电阻率的厚度依赖性，并识别超薄薄膜中主导的散射机制。
• 证明退火处理可显著提升薄膜质量和电子特性。

提出的方法

• 在低温（300 °C）下采用原子层逐层MBE生长，利用反应性原子氧控制化学计量比，防止Pd氧化。
• 采用退火处理提升结晶质量并减少缺陷。
• 在晶格匹配的单晶衬底上外延生长，以确保外延取向。
• 通过反射高能电子衍射（RHEED）原位监测，确保逐层生长。
• 通过X射线衍射、透射电子显微镜和电输运测量进行表征。
• 精确控制氧通量和衬底温度，以在生长过程中稳定PdCoO2相。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在典型MBE条件下PdCoO2存在热力学不稳定性，是否仍能通过MBE技术成功生长出高质量的外延PdCoO2薄膜？
• RQ2 退火处理在提升PdCoO2薄膜结构与电子品质方面发挥何种作用？
• RQ3 薄膜厚度如何影响电阻率？在超薄薄膜（<75 nm）中主导的散射机制是什么？
• RQ4 哪些结构缺陷（如孪晶）限制了较厚薄膜在低温下的电阻率？
• RQ5 薄膜的电学性能在多大程度上趋近于体相PdCoO2晶体的性能？

主要发现

• 成功利用低温MBE与退火处理，在5至265 nm厚度范围内生长出高质量外延PdCoO2薄膜，结晶质量优异。
• 在薄层区域（<75 nm）中，电阻率与厚度成反比，表明表面散射起主导作用。
• 当薄膜厚度超过75 nm时，室温下电阻率趋近体材料值，证实了高电子品质。
• 低温下电阻率受限于结构孪晶，其作为散射中心发挥作用。
• 退火处理显著提升了薄膜质量，实现了金属行为并降低了缺陷密度。
• 该方法为生长具有二维电子结构的高质量金属型层状氧化物提供了可行路径。