[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过分子束外延（MBE）成功生长出高质量、外延性的BaZrS3硫属化物钙钛矿薄膜，实现了原子级平整度、近乎完美的化学计量比以及在LaAlO3衬底上的原子级清晰界面。该工作揭示了两种竞争性的生长模式——自组装应变弛豫层的缓冲外延与直接旋转立方-立方外延，为应变和成分可调的硫属化物钙钛矿半导体铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高质量的外延生长方法，用于BaZrS3硫属化物钙钛矿薄膜。
• 克服氧化物-硫属化物异质外延中晶格失配与应变带来的挑战。
• 证明分子束外延（MBE）在硫属化物钙钛矿这一具有可调电子性质材料类别中的可行性。
• 探索两种外延机制——缓冲外延与直接外延——以实现应变弛豫与高质量薄膜的形成。
• 为通过应变与成分调控工程化硫属化物钙钛矿合金的电子与光学性能奠定基础。

提出的方法

• 采用单步分子束外延（MBE）工艺，在LaAlO3衬底上生长BaZrS3薄膜。
• 使用固体源蒸发炉分别提供Ba和Zr，以及固体源AsS4作为硫源，实现对蒸发通量的精确控制。
• 利用反射高能电子衍射（RHEED）实时监测薄膜生长过程，追踪表面形貌与晶体取向。
• 通过两种不同机制实现外延生长：一种是具有自组装界面层的缓冲外延，另一种是直接的旋转立方-立方外延。
• 结合原位与非原位表征手段，包括X射线衍射、透射电子显微镜及电子背散射衍射，以确认薄膜质量与结构。
• 维持超高真空环境，以确保化学计量比控制并最大限度减少污染。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过分子束外延（MBE）实现BaZrS3硫属化物钙钛矿薄膜的高结晶质量与精确化学计量比？
• RQ2 在如LaAlO3这类晶格失配的衬底上，主导外延薄膜形成的生长机制是什么？
• RQ3 界面结构在生长过程中如何演变？应变弛豫在薄膜质量中起到何种作用？
• RQ4 实验上能否区分并控制两种双模式生长机制——缓冲外延与直接外延？
• RQ5 薄膜质量与界面清晰度在多大程度上可被优化，以适用于未来的异质结构应用？

主要发现

• 通过单步MBE工艺，成功生长出具有原子级平整度和近乎完美化学计量比的BaZrS3薄膜。
• 薄膜与LaAlO3衬底之间表现出原子级清晰的界面，表明界面质量极高。
• 识别出两种竞争性的外延生长模式：一种是通过自组装界面层实现应变弛豫的缓冲外延，另一种是可容纳晶格失配的直接旋转立方-立方外延。
• 薄膜保持正交畸变钙钛矿结构，其中ZrS6八面体通过角共享连接。
• MBE工艺成功实现了硫属化物钙钛矿的外延生长，标志着气体源硫属化物MBE技术在功能氧化物-半导体异质结构中的复兴。
• 研究结果为实现应变与成分可调的硫属化物钙钛矿半导体提供了可行路径，其原理与成熟的Si-Ge和III-V族体系类似。