[论文解读] Synthesis of Perovskite SrIrO3 Thin Films by Sputtering Technique

Z.Z. Li, Olivier Schneegans+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

本研究首次通过在SrTiO3 (001)基底上使用射频磁控溅射法，成功合成了高质量、单相、外延的SrIrO3薄膜。薄膜呈现(110)方向的出平面取向，以及(001)和(1-10)方向的平面取向，表面原子级平整，与基底具有优异的晶格相干性，证实该技术在可扩展、可重复的氧化物薄膜生长方面具有可行性。

ABSTRACT

We report on the synthesis of perovskite SrIrO3 thin films using sputtering technique. Single phase (110) oriented SrIrO$_3$ thin films were epitaxially grown on SrTiO3 (001) substrate. Using off-axis XRD $θ-2θ$ scans, we demonstrate that these films exhibit (110) out-of-plane orientation with (001) and (1-10) lying in-plane. The sputtering grown thin films have a smooth, homogeneous surface, and excellent coherent interface with the substrate.

研究动机与目标

• 开发一种基于物理气相沉积的可扩展、可重复的高质量SrIrO3薄膜生长方法。
• 通过使用非化学计量的Sr4IrO6靶材，克服SrIrO3薄膜在沉积过程中因Sr损失导致的不稳定性与非化学计量问题。
• 在SrTiO3 (001)基底上实现SrIrO3的外延生长，实现取向与结构相干性的可控。
• 利用先进的X射线衍射技术验证溅射生长的SrIrO3薄膜的晶体学取向与外延质量。
• 确立溅射法作为复杂氧化物薄膜生长的可行替代方案，替代分子束外延或脉冲激光沉积法。

提出的方法

• 采用射频磁控溅射法，使用Sr4IrO6靶材以补偿沉积过程中的Sr损失。
• 在沉积前，将基底加热至610 °C，并通过超声清洗和等离子体处理进行清洁。
• 在总压为210 mTorr、Ar/O2 (1:2)气体混合物中进行溅射，靶材与基底间距为40 mm。
• 通过在45°倾斜角下进行离轴θ-2θ X射线衍射扫描，确定薄膜的平面与出平面晶体学取向。
• 利用倒易空间映射(RSM)确认薄膜与基底之间具有完全相干的外延应变及晶格匹配。
• 通过X射线反射率与Kiessig条纹分析，高精度测定薄膜厚度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过此前未报道于此类钙钛矿材料的可扩展技术——射频溅射法，成功合成高质量、单相的SrIrO3薄膜？
• RQ2 在SrTiO3 (001)基底上生长的溅射SrIrO3薄膜的晶体学取向为何？其与其它沉积方法相比有何差异？
• RQ3 薄膜在多大程度上表现出与SrTiO3基底的外延相干性与晶格匹配？
• RQ4 使用Sr4IrO6靶材在多大程度上影响了溅射SrIrO3薄膜的化学计量比与相纯度？
• RQ5 溅射生长的SrIrO3薄膜能否在厚度达100 nm时仍保持结构稳定性与高质量，且无相分离现象？

主要发现

• 成功使用Sr4IrO6靶材的射频溅射法，在SrTiO3 (001)基底上外延生长出单相、外延的SrIrO3薄膜。
• 薄膜呈现(110)方向的出平面取向，且(001)与(1-10)方向位于基底平面内，经离轴X射线衍射确认。
• 100 nm厚薄膜的出平面晶面间距为4.038 Å，与体相SrIrO3一致，且与脉冲激光沉积法生长的薄膜数据相符。
• 100 nm厚薄膜(220)衍射峰的摇摆曲线半高宽(FWHM)为0.035°，表明其具有优异的出平面晶体取向对准。
• 倒易空间映射证实，SrIrO3薄膜与SrTiO3基底之间在平面方向具有完全的晶格相干性，Qx值完全一致。
• 薄膜在空气中保持相纯与结构稳定，即使在厚度仅几纳米时亦无相分离，优于需封装保护的脉冲激光沉积生长薄膜。