[论文解读] Surface and Interface Properties of La2/3Sr1/3MnO3 Thin Films on SrTiO3 (001)

Lina Chen, Zhen Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用原位与非原位表征技术，探究了La2/3Sr1/3MnO3薄膜在SrTiO3 (001)衬底上的表面与界面特性。结果表明，(La/Sr)O-terminated表面处的Sr偏析（约3个单胞）以及界面处的互扩散（约1个单胞）主导了厚度驱动的金属-绝缘体转变，薄膜厚度小于20个单胞时出现非金属性行为，这是由于表面附近化学计量偏离所致。

ABSTRACT

Understanding and manipulating properties emerging at a surface or an interface require a thorough knowledge of structure-property relationships. We report a study of a prototype oxide system, La2/3Sr1/3MnO3 grown on SrTiO3(001), by combining in-situ angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy, ex-situ x-ray diffraction, and scanning transmission electron microscopy/spectroscopy with electric transport measurements. We find that La2/3Sr1/3MnO3 films thicker than 20 unit cells (u.c.) exhibit a universal behavior with no more than one u.c. intermixing at the interface but at least 3 u.c. of Sr segregation near the surface which is (La/Sr)O terminated. The conductivity vs film thickness shows the existence of nonmetallic layers with thickness ~ 6.5 +/- 0.9 u.c., which is independent of film thickness but mainly relates to the deviation of Sr concentration near the surface region. Below 20 u.c., the surface of the films appears mixed (La/Sr)O with MnO2 termination. Decreasing film thickness to less than 10 u.c. leads to the enhanced deviation of chemical composition in the films and eventually drives the film insulating. Our observation offers a natural explanation for the thickness-driven metal-nonmetal transition in thin films based on the variation of film stoichiometry.

研究动机与目标

• 理解La2/3Sr1/3MnO3薄膜在SrTiO3 (001)衬底上金属-绝缘体转变的结构与电子起源。
• 在原子尺度分辨率下表征界面互扩散与表面化学偏析。
• 关联薄膜厚度、表面化学计量与电导率，研究氧化物异质结构中的关系。
• 建立结构-性能关系，解释超薄锰氧化物薄膜中厚度依赖的绝缘行为。

提出的方法

• 采用原位角分辨X射线光电子能谱（ARXPS）探测表面与界面处深度依赖的化学态及价带对齐情况。
• 采用非原位X射线衍射（XRD）评估薄膜的结晶质量、取向与应变状态。
• 结合扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失谱（EELS）进行原子分辨率的化学与结构分析。
• 通过电输运测量关联薄膜厚度与电导率及金属-绝缘体转变行为。
• 分析表面附近Sr浓度偏离随薄膜厚度的变化关系。
• 采用（La/Sr）O表面终止模型解释表面化学及其对电子性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 界面互扩散在多大程度上影响La2/3Sr1/3MnO3/SrTiO3异质结构的电子性质？
• RQ2 La2/3Sr1/3MnO3薄膜表面的Sr偏析程度及其化学性质如何随薄膜厚度变化？
• RQ3 为何厚度小于20个单胞的薄膜表现出绝缘行为，尽管体相La2/3Sr1/3MnO3为金属性？
• RQ4 表面终止类型（(La/Sr)O与MnO2）在多大程度上影响电子结构与电导率？
• RQ5 表面附近化学计量偏离（而非厚度本身）在多大程度上主导了金属-绝缘体转变？

主要发现

• La2/3Sr1/3MnO3薄膜厚度超过20个单胞时，与SrTiO3的界面互扩散最多仅约1个单胞，表明界面清晰。
• 在（La/Sr）O-terminated表面附近，观察到至少3个单胞的Sr偏析，且该偏析具有厚度依赖性。
• 识别出一个厚度约为~6.5 ± 0.9个单胞的非金属性层，其厚度与整体薄膜厚度无关，主要由表面附近Sr浓度偏离驱动。
• 当薄膜厚度低于20个单胞时，表面转变为混合的（La/Sr）O-terminated相与MnO2终止相，共同导致绝缘行为。
• 对于厚度小于10个单胞的薄膜，化学组成偏离增强，导致绝缘行为，从而解释了厚度驱动的金属-绝缘体转变。
• 金属-绝缘体转变并非由薄膜厚度本身引起，而是源于表面化学计量偏离，特别是Sr偏析与非化学计量表面层。