Οπτικοποίηση της ανάπτυξης στρώμα-προς-στρώμα του LaTiO3 σε SrTiO3

Η ατομική αλληλουχία στοίβαξης των υλικών που είναι γνωστή ως σύμπλοκα οξείδια μπορεί να είναι κρίσιμη για τις ιδιότητες του υλικού. Για παράδειγμα, το οξείδιο YBa₂ Cu₃ O₇ είναι υπεραγώγιμο μόνο όταν η ακολουθία στοίβαξης είναι ακριβώς Y-CuO₂ -BaO- CuO-BaO-CuO₂ . Κάποιος μπορεί να το δοκιμάσει αναπτύσσοντας ένα φιλμ οξειδίου με την ίδια σύνθεση αλλά διαφορετική αλληλουχία στιβάδων χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται επιταξία μοριακής δέσμης (MBE):αυτή η τεχνική εναπόθεσης είναι μοναδική στο ότι επιτρέπει τον χημικό έλεγχο κάθε στρώματος που έχει αποτεθεί (παρόμοια με βαφή με σπρέι αλλά σε ατομικό επίπεδο).

Τα πιο πρόσφατα χρόνια, τέτοιες τεχνικές ανάπτυξης ήταν το κλειδί για την ανακάλυψη εξωτικών ιδιοτήτων που υπάρχουν στις διεπαφές οξειδίων. Για παράδειγμα, ενώ το SrTiO₃ είναι ένας μονωτήρας και LaTiO₃ είναι μονωτήρας, διαπιστώθηκε ότι η διεπαφή μεταξύ τους είναι μεταλλική.

Για την ανάπτυξη ταινιών υψηλής ποιότητας, πρέπει να ξεκινήσετε με ένα υπόστρωμα υψηλής ποιότητας και TiO₂ -τερμάτισε το SrTiO₃ είναι το τυπικό κρυσταλλικό υπόστρωμα που χρησιμοποιείται για την εναπόθεση λεπτών μεμβρανών οξειδίου.

Όπως συζητήθηκε πρόσφατα εδώ, SrTiO₃ είναι ένας από τους λίγους κρυστάλλους οξειδίου που μπορούν να κατασκευαστούν σε μεγάλα μεγέθη με τόσο υψηλή ποιότητα. Και η δυνατότητα παραγωγής επιφανειών μόνο με το TiO₂ σύνθεση (και όχι SrO) σημαίνει ότι μπορεί κανείς να ελέγξει την αλληλουχία των στρωμάτων που αναπτύσσονται πάνω του.

Σε εργασία που πραγματοποιήθηκε από ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, χρησιμοποιήθηκαν ακτινογραφίες σύγχροτρον για την απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσεται στρώμα προς στρώμα του LaTiO₃ λαμβάνει χώρα στο SrTiO3 από την MBE. Με τη βοήθεια της «όρασης ακτίνων Χ», μπόρεσαν να δουν ότι η εναπόθεση MBE δεν είναι τόσο απλή όσο το σενάριο «ατομικής βαφής με σπρέι» που περιγράφεται παραπάνω. Πρώτα, το επάνω μέρος του SrTiO₃ το κρύσταλλο παρουσιάζει δύο στρώματα TiO₂ παρά ένα. Επιπλέον, η ίδια δομή φιλμ λαμβάνεται ανεξάρτητα από το αν αναπτύχθηκε στην αλληλουχία LaO-TiO₂ ή TiO₂ -LaO. Στην πρώτη περίπτωση, το επίπεδο LaO ανταλλάσσει θέσεις με το TiO₂ στρώση αμέσως από κάτω του. Στη δεύτερη περίπτωση, το στρώμα LaO σκάβει το δύο TiO₂ στρώσεις για να βρει την προτιμώμενη θέση του.

Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και όταν χρησιμοποιείται MBE για να επιτευχθεί η επιθυμητή αλληλουχία στοίβαξης, πρέπει απαραίτητα να λαμβάνεται υπόψη η ατομική ανακατανομή:ανεξάρτητα από το πόσο εξελιγμένη είναι η τεχνική σύνθεσης, το υλικό έχει τη δική του ιδέα για το πώς να στοιβάζονται τα ατομικά στρώματα. Επιπλέον, αυτή η μελέτη δείχνει τη σημασία της χρήσης in situ τεχνικές σύγχροτρον για τη διερεύνηση υλικών. Η προηγμένη πηγή φωτονίων στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, όπου πραγματοποιήθηκε αυτή η εργασία, είναι μία από τις τέσσερις μόνο πηγές σκληρών ακτίνων Χ τρίτης γενιάς στον κόσμο και σύντομα θα υποβληθεί σε σημαντική αναβάθμιση, καθιστώντας την την πιο φωτεινή πηγή σκληρών ακτίνων Χ στον κόσμο . In situ πειράματα όπως αυτό θα ωφεληθούν τρομερά από την αναβάθμιση, επιτρέποντας βελτιωμένη ανάλυση χρόνου και μελέτες σε ένα ευρύτερο φάσμα υλικών.

Αναφορά:

1. Α. Ohtomo, D. A. Muller, J. L. Grazul, and H. Y. Hwang, Nature 419, 378 (2002).