In situ studies of the growth and oxidation of complex metal oxides by pulsed laser deposition

Xu, Chencheng; Dittmann, Regina; Roth, Georg

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-069305

In situ studies of the growth and oxidation of complex metal oxides by pulsed laser deposition = In situ Untersuchungen von dem Wachstum und der Oxidation der komplexen Metalloxiden mit Pulsed Laser Deposition

Xu, Chencheng

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Chencheng Xu

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (iv, 159 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Roth, Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; Dittmann, Regina (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-069305
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668668/files/668668.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668668/files/668668.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PLD (frei) ; complex metal oxide (frei) ; heterostructure (frei) ; in-situ study of oxide growth (frei) ; non-equilibrium (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Pulsed Laser Deposition (PLD) ist ein Abscheidungsverfahren, das sich für die Herstellung von den Dünnschichten und Heterostrukturen aus komplexen Metalloxiden eignet. Der stöchiometrische Transfer zwischen dem Target und dem Substrat erfolgt innerhalb von einem breiten Druckbereich ohne anspruchsvolle Optimierung von Parametern. Infolgedessen dient PLD als das Hauptverfahren für die Herstellung der komplexen Metalloxide Dünnschichten und Heterostrukturen in vielen Laboren.Trotz der häufigen Verwendung von PLD sind die zugrundlegenden Prozesse während des PLD Wachstums bisher nicht systematisch untersucht worden. Tatsächlich beschränken sich die meisten Forschungsgruppen auf die empirische Parameteroptimierung. Obwohl die Dünnschichteigenschaften auch auf diese Weise optimiert werden können, fehlt ein Verständnis des genauen Zusammenhangs zwischen PLD Wachstum und Dünnschichteigenschaften, das heutzutage immer wichtiger wird. Die zu untersuchenden Aspekte sind spezifisch für die unterschiedlichen Systeme. Das erste Beispiel ist der resistive Speicher (ReRAM) mit komplexen Metalloxiden wie z.B. SrTiO3 (STO) als Dünnschichten, in dem Defekte wie z. B. Kationenleerstellen eine wichtige Rolle spielen. Ein tieferes Verständnis des Schaltverhaltens in solchen Zellen ergibt sich nur dadurch, dass die Bildungsprozesse der Defekte während der PLD Herstellung systematisch untersucht werden. Um die Defektbildung in STO zu verstehen, sind die in-situ Beobachtungen dieser Prozesse notwendig. Das zweite Beispiel ist der Bildungsprozess einer leitenden Grenzfläche zwischen zwei Bandisolatoren, z.B. LaAlO3 (LAO) auf SrTiO3 (LAO/STO). Trotz der Entdeckung vor mehr als zehn Jahren ist der Bildungsprozess dieser leitenden Grenzfläche bis heute nicht vollständig verstanden. Der Zeitpunkt zu dem sich die leitende Grenzfläche bildet ist einer der zentralen Fragen. Darüber hinaus kann die Leitfähigkeit von LAO/STO durch Defekte wie Sauerstoffleerstellen beeinflusst sein, die sich durch den Oberflächenaustausch während des Wachstums und Nachglühprozesses ein- und ausbauen lassen. Diese Arbeit beschreibt die in-situ Untersuchung der Bildungsprozesse während der Homoepitaxie von STO. Es konnte gezeigt werden, dass der Grund für die Kationen-Nicht-Stöchiometrie von STO Dünnschichten der bevorzugte Streuungsprozess von Kationen während der Laser-Plume-Ausbreitung ist. Die Dünnschichten von STO mit Kationen-Nicht-Stöchiometrie wachsen im Anfangsstadium im 2D Wachstumsmodus. Die Oberflächendiffusion von STO in diesem Stadium wird verhindert durch die Kationen-Nicht-Stöchiometrie, wobei die Punktdefekte eine Oberflächenspannung erzeugen können. Die Kationen-Nicht-Stöchiometrie führt weiterhin dazu, dass ausgedehnte Defekte generiert werden und der Wachstumsmodus geändert wird. Ein Beispiel dafür ist das Wachstum von Sr reichen STO Schichten, wobei das System zunächst 2D Wachstum innerhalb einer Monolage zeigt und beim weiteren Wachstum ein Terminierungswechsel von TiO2 nach SrO erfolgt. Anschließend bauen sich Anti-Phasen Grenzen auf und das Wachstum geht langsam in den 3D Wachstumsmodus über.Der Bildungsprozess einer leitenden Grenzfläche zwischen LAO und STO wurde mit OIRD in-situ und real time untersucht, wozu auch die Untersuchung der Ein- und Ausbauprozesse von Sauerstoffleerstellen in LAO/STO Heterostrukturen notwendig waren. Die ersten drei Einheitszellen von LAO verhalten sich dabei anders als die folgenden LAO-Zellen bei den OIRD Messung. Es ergeben sich klare Hinweise darauf, dass der Transfer von Elektronen zu der LAO/STO Grenzfläche während des Wachstums bei Abscheidung der dritten Monolage stattfindet. Der Einbau von Sauerstoffleerstellen findet auch während der PLD-Prozesse statt, wobei der Ausbau von Sauerstoffleerstellen ohne die Einführung von Kationenleerstellen nur während des Nachglühens unter dem Wachstumsdruck und der Wachstumstemperatur möglich ist. Ursächlich für den Einbau der Sauerstoffleerstellen sind Stöße von Partikeln mit hoher kinetischer Energie aus dem Laser-Plume.

Pulsed Laser Deposition (PLD) is a versatile deposition technique for complex metal oxide thin films and heterostructures. Without sophisticated parameter engineering, a stoichiometric transfer between target and substrate can take place in a large pressure range of different gas ambient. As a result, PLD is widely applied in many research laboratories.However, the basic processes during PLD growth are not well understood. Therefore most of the research groups only carry out parameter optimization for PLD empirically. Although the thin film properties can be enhanced by empirical optimization of growth parameters, the exact correlation between PLD growth process and thin film property is hardly known. A better understanding in the correlation between PLD growth and thin film properties is gaining arising attention with its increasing importance for different complex metal oxide based electronics nowadays. The aspects to be investigated are different in various material systems. The first example is the Resistive Random Access Memories (ReRAM) based on complex metal oxides, e.g. SrTiO3 (STO) thin films, where the defects like cation vacancies in thin oxide films play a crucial role for the switching behavior. Only by understanding the defect formation process during the PLD process a rational design of defects in the thin film could be possible. The in-situ studies on the defect formation process during STO thin film growth are thus necessary. The second example is the conductive interface between two band insulators, e.g. LaAlO3 (LAO) and STO. Since its discovery one decade ago, the formation process of the conductive interface is not well understood. To understand the physical mechanism behind the conductive interface formation, it is of pivotal importance to learn when the formation takes place. Furthermore, the conductivity of LAO/STO heterostructures are significantly influenced by the defects like oxygen vacancies, which can be incorporated/eliminated both by growth and post-annealing process. So the in-situ study on the conductive interface formation and the study on the oxygen vacancy incorporation/elimination process during the growth and annealing process are needed. In this work the in-situ study on the defect formation process during STO homoepitaxy is carried out. The cation non-stoichiometries in STO thin films are introduced by the preferential scattering process during laser plume propagation. STO thin films with cation non-stoichiometry remains at the early growth stage within 2D growth mode. The defects are in this growth stage point defects inhibiting surface diffusion through surface strain. The cation non-stoichiometry leads further to the formation of extended defects as growth proceeds and the growth mode is changed. As an example, the Sr rich STO exhibits firstly 2D growth with subsequent surface termination change from TiO2 to SrO at low film thickness, whereas the further growth establishes anti-phase boundaries and lead to 3D island growth. The conductive interface formation process between LAO and STO is studied in-situ and real-time with Oblique Incidence Reflectance Difference technique (OIRD). In addition, the incorporation and elimination processes of oxygen vacancies in LAO/STO heterostructures are investigated as well. It is observed from the growth process that the first 3 unit cells (u.c.) LAO differ from the rest of LAO unit cells, indicating the electronic transfer happens at 3 u.c. and does not influence the first 3 u.c. LAO. The incorporation of oxygen vacancies into the STO takes place during the PLD growth of LAO, while the elimination of oxygen vacancies in STO is optimal at the growth temperature and pressure. The main reason for the incorporation of oxygen vacancies in STO is the impinging particles with high kinetic energy.

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