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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 鈦酸鍶薄膜的勞厄背散射實(shí)驗(yàn)和理論模擬
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡(jiǎn)介：
- 我們采用了多種X射線衍射技術(shù)對(duì)鍶釕氧（SRO）作為電極層的鈦酸鍶（STO）薄膜的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)了STO薄膜中存在兩種取向結(jié)構(gòu)，其中一種比較罕見(jiàn)。我們的勞厄背散射理論模擬證實(shí)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。
- 詳細(xì)介紹：
- 摘要：本文采用了多種X射線衍射技術(shù)，例如常規(guī)的θ/2θ 掃描、搖擺曲線、勞厄背散射等，來(lái)研究SrTiO3薄膜的晶格取向。結(jié)果證實(shí)薄膜不僅具有(001) 取向，而且還有一種罕見(jiàn)的(211)取向。另外，我們的勞厄背散射理論模擬也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。 關(guān)鍵詞：晶格取向； X射線衍射； 勞厄背散射 一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程 本實(shí)驗(yàn)將激光分子束外延生長(zhǎng)的STO薄膜的晶格取向的確定作為研究?jī)?nèi)容，在Rigaku Dmax-rB, Bruker advanced D8，Siemens D5000HR衍射儀和南京大學(xué)自行研制的勞厄相機(jī)上，采用常規(guī)的θ/2θ、勞厄背散射和搖擺曲線X射線衍射方法，分析了薄膜晶格取向。 二、結(jié)果和討論 LAO具有菱方結(jié)構(gòu)或者畸變的六角結(jié)構(gòu)（晶格參數(shù)為a=5.364?, c=13.11?, 空間群為 ），在813K以上轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲牧⒎解}鈦礦結(jié)構(gòu)空間群（）。[12]但在室溫下，人們通常將LAO視為贗立方結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為a=3.790?。SRO是一種最好的導(dǎo)電性氧化物材料，有很好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，且有很強(qiáng)的耐腐蝕性。它屬于斜方晶系（空間群為Pbnm），晶格參數(shù)為a=5.567?, b=5.530?, c=7.844?。室溫下，SRO也經(jīng)常被視為贗立方結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為3.922?。STO在室溫下具有立方結(jié)構(gòu)（空間群為），晶格參數(shù)為a=3.905 ?。 圖1 SRO/LAO 樣品的和STO/SRO/LAO樣品的掃描。 圖1a是SRO（10nm）/LAO樣品的高角θ/2θ掃描。在圖中，我們僅可以看到LAO襯底和SRO薄膜的()衍射峰，而沒(méi)有來(lái)自其他晶面的衍射峰。說(shuō)明薄膜是單取向生長(zhǎng)的。圖1b是STO（100nm）/SRO（10nm）/LAO樣品的高角掃描，在圖中，我們不僅可以看到LAO襯底和SRO緩沖層和STO薄膜的（00l）衍射峰，而且還出現(xiàn)了STO或者SRO的（211）晶面的衍射峰，我們無(wú)法從該圖中分辨出此衍射峰來(lái)自STO或者SRO。 在此，我們可以提出三個(gè)疑問(wèn)：第一，（211）究竟屬于STO還是SRO？第二，()峰來(lái)自STO還是SRO，或者兩者共有？第三，STO薄膜是單取向還是雙取向生長(zhǎng)？基于以上三個(gè)問(wèn)題，我們做了一系列實(shí)驗(yàn)。 第一，（211）究竟屬于STO還是SRO？ 圖1b中（211）峰的2θ=57.72o，該值正好處于塊材STO (57.787o)和SRO (57.511o)的之間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程部分我們已經(jīng)提到，底電極的生長(zhǎng)溫度相對(duì)較低。這樣做的目的是為了使電極層在很小的厚度范圍內(nèi)充分馳豫。假設(shè)SRO部分馳豫，那么它的C方向晶格參數(shù)將變大，2θ值變小。因此，我們可以認(rèn)為此衍射峰來(lái)自STO。同時(shí)，考慮到SRO薄膜與SRO底電極層在相同環(huán)境下生長(zhǎng)，我們有理由相信此（211）峰來(lái)自STO而非SRO。 由于（211）取向的薄膜非常罕見(jiàn)，為了慎重起見(jiàn)，我們對(duì)此結(jié)論進(jìn)行了對(duì)稱和非對(duì)稱搖擺曲線測(cè)量論證。如果（211）晶面確實(shí)存在并且與薄膜表面平行。那么，如果我們將探測(cè)器固定在，在附近作掃描，即作搖擺曲線掃描，一個(gè)高斯線形的衍射峰將能被觀測(cè)到。圖2a和2b給出了實(shí)驗(yàn)的衍射幾何和實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。雖然該峰的峰高全寬接近1o，但具有很好的高斯線形。 如圖2d所示，接下來(lái)的非對(duì)稱面（220）晶面的搖擺曲線也具有很好的高斯形狀。圖2c給出了非對(duì)稱衍射幾何圖示。這些對(duì)稱和非對(duì)稱搖擺曲線測(cè)量證明（211）取向的晶面確實(shí)存在并且與薄膜表面平行。 圖2 STO/SRO/LAO樣品：(a) 211）對(duì)稱晶面衍射幾何；(b)（211）晶面的搖擺曲線；(c)（220）非對(duì)稱晶面衍射幾何；(d)（220）晶面的搖擺曲線。 第二，()峰來(lái)自STO還是SRO，或者兩者共有？ 由于STO和SRO之間的晶格失配度很小(0.43%)，考慮到微結(jié)構(gòu)缺陷，例如氧空位或者Sr與Ru之間的化學(xué)計(jì)量匹配不平衡，當(dāng)我們將SRO和STO生長(zhǎng)在同一種襯底上時(shí)，有時(shí)候?qū)⒑茈y區(qū)分它們的衍射峰。 為了弄清楚這個(gè)問(wèn)題，我們?nèi)匀徊捎昧藫u擺曲線測(cè)量方法。令人遺憾的是（002）面的搖擺曲線仍然是單峰。因此，我們猜想非對(duì)稱面應(yīng)該能夠區(qū)分出來(lái)。因?yàn)楦鶕?jù)彈性理論，STO的面內(nèi)晶格參數(shù)應(yīng)該比SRO的小。于是，我們做了（103）非對(duì)稱面的搖擺曲線。讓人驚奇的是，該峰也是單峰。我們根據(jù)ω/2θ測(cè)量計(jì)算了面內(nèi)晶格參數(shù)為3.923?（這里假設(shè)薄膜發(fā)生四方畸變，根據(jù)高角θ/2θ測(cè)得c=3.920nm）。該值SRO塊材晶格參數(shù)基本一致，說(shuō)明SRO電極層完全馳豫。 圖3 STO/SRO/LAO樣品樣品的對(duì)稱面和非對(duì)稱面搖擺曲線。（a）對(duì)稱（002）晶面搖擺曲線；（b）非對(duì)稱（103）晶面搖擺曲線。 至此，如果我們假設(shè)峰完全來(lái)自SRO，而（211）來(lái)自STO，或者說(shuō)STO是單取向的，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將能很好的被解釋。但由于我們以前從未觀測(cè)到如此單取向的STO薄膜，我們又對(duì)這兩塊樣品做了勞埃背散射研究。取得的結(jié)果也是意想不到的。 圖4a和b是SRO/LAO 和 STO/SRO/LAO樣品的勞厄背散射照片，兩張照片中的勞厄斑點(diǎn)都具有很好的四次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。這個(gè)結(jié)果跟我們的XRD結(jié)果是相矛盾的。因?yàn)椋?11）晶面的背散射斑點(diǎn)不應(yīng)該具有四次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。 圖4 SRO/LAO (a)和STO/SRO/LAO(b)樣品的勞埃背散射圖。 圖5是我們自己編寫(xiě)程序模擬出來(lái)的X射線沿[211]晶向入射的衍射斑點(diǎn)分布圖，該圖并不具有四次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。 我們慎重地考慮了以上問(wèn)題，認(rèn)為薄膜并不是二維層狀，而是三維島狀生長(zhǎng)的。晶粒之間的晶格取向可能是非均勻分布的。一種較為合理的解釋是，入射的X射線斑點(diǎn)相對(duì)于薄膜大小要大很多，在我們的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，X光斑點(diǎn)正好沒(méi)有打到（211）取向的部分。 我們接著討論()峰的問(wèn)題，如果我們仔細(xì)對(duì)比圖4a和b，將會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者有很大的不同。圖4a是由兩套明暗相間的斑點(diǎn)組成，亮斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)于LAO襯底，較暗的斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)于SRO薄膜。這證明了兩者之間的匹配關(guān)系為SRO [001]o ║LAO [001]h, SRO [100]o║LAO [100]h, SRO [010]o ║LAO [121]h (其中下標(biāo)o和h分別表示正交和六角結(jié)構(gòu))。我們假設(shè)兩者之間具有上述的匹配關(guān)系，模擬了該體系的勞厄背散射，結(jié)果如圖6a所示，理論與實(shí)驗(yàn)基本一致。 圖6b中的斑點(diǎn)分布與圖6a有顯著不同。簡(jiǎn)單地說(shuō)，與SRO/LAO結(jié)果相比STO/SRO/LAO圖中多出一套衍射斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)顯然只可能來(lái)之STO薄膜。根據(jù)前面的討論，這些斑點(diǎn)不可能是(211)取向的。我們假設(shè)STO與SRO之間的匹配關(guān)系為STO [001)]c ║ SRO [001]o, STO [110]c║SRO (010)o, STO[]c║SRO [100]o。換句話說(shuō)，STO的面內(nèi)晶格取向相對(duì)于SRO旋轉(zhuǎn)了45o。我們據(jù)此模擬了STO/SRO/LAO的背散射結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理論與圖4b的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好。 圖5 STO/SRO/LAO勞埃衍射圖。 這種面內(nèi)匹配關(guān)系也是很好理解的，因?yàn)槲覀冸m然常把SRO和LAO看做贗立方結(jié)構(gòu)，但是它們真正的結(jié)構(gòu)是正交和菱方結(jié)構(gòu)，SRO在（100）和（010）方向的晶格常數(shù)分別為5.53?和5.57? ,與STO之間的晶格失配很大，為+29.7%。但是如果STO面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45°生長(zhǎng)，則兩者之間的失配度將降低為+0.38%。而小的晶格失配度將更有利于高質(zhì)量薄膜的生長(zhǎng)。 圖6 STO/SRO (a) 和STO/SRO/LAO (b) 樣品勞埃背散射模擬圖。 經(jīng)過(guò)以上分析。我們得出STO/SRO/LAO樣品中確實(shí)也存在STO（001）晶面與樣品表面平行的取向結(jié)構(gòu)，即STO薄膜中存在兩種取向結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，我們前面所采用的各種方法都是間接測(cè)量，要更深入的了解該薄膜中的晶格取向，還需要直接的微觀測(cè)量，例如高分辨透射電鏡測(cè)量。 三、結(jié)論 我們采用了多種X射線衍射技術(shù)對(duì)SRO作為電極層的STO薄膜的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)了STO薄膜中存在兩種取向結(jié)構(gòu)，其中一種比較罕見(jiàn)。我們的勞厄背散射理論模擬證實(shí)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。但關(guān)于薄膜中兩種取向結(jié)構(gòu)的非均勻分布還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
作品專業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 勞厄背散射實(shí)驗(yàn)是確定晶體和薄膜晶向的一種最簡(jiǎn)潔方便的方法。本作品通過(guò)對(duì)兩塊鈣鈦礦氧化物鈦酸鍶薄膜晶向的測(cè)定，并通過(guò)理論模擬，從課程學(xué)習(xí)角度來(lái)看，使我們對(duì)常規(guī)的X射線衍射及勞厄背散射方法有更直觀、深刻的理解與認(rèn)識(shí)。從科研角度來(lái)講，為將來(lái)考取研究生并盡快的適應(yīng)研究性內(nèi)容打下良好的基礎(chǔ)。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性與先進(jìn)性在于綜合運(yùn)用里幾種X射線衍射技術(shù)（包括勞厄背散射和理論模擬）來(lái)確定薄膜的晶體取向。 獨(dú)特之處在于自己編設(shè)小程序來(lái)模擬勞厄背散射與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比擬。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 創(chuàng)新點(diǎn)在于采用多種X射線衍射方法無(wú)損測(cè)定薄膜的晶格取向。技術(shù)難點(diǎn)在于勞厄背散射方法的理論模擬編程。實(shí)際應(yīng)用非常廣泛，最主要的是可以確定晶體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文采用了多種X射線衍射技術(shù)，例如常規(guī)的θ/2θ 掃描、搖擺曲線、勞厄背散射等，來(lái)研究SrTiO3薄膜的晶格取向。結(jié)果證實(shí)薄膜不僅具有(001) 取向，而且還有一種罕見(jiàn)的(211)取向。另外，我們的勞厄背散射理論模擬也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。
獲獎(jiǎng)情況
- 無(wú)
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- 1. A. Ohtomo, H. Y. Hwang, Nature 2004, 427, 423 2. N. Reyren, S. Thiel, A. D. Caviglia, L. Fitting Kourkoutis, G. Hammerl, C.Richter, C. W. Schneider, T. Kopp, A.-S. Ru¨etschi, D. Jaccard, M. Gabay, D.A. Muller, J.-M. Triscone, J. Mannhart, Science 2007, 317, 1196. 3. A. Brinkman, M. Huijben, M. Van Zalk, J. Huijben, U. Zeitler, J. C. Maan, W. G. Van der Wiel, G. Rijnders, D. H. A. Blank, H. Hilgenkamp, Nat. Mater. 2007, 6, 493. 4. A. D. Caviglia, S. Gariglio, N. Reyren, D. Jaccard, T. Schneider,M. Gabay, S. Thiel, G. Hammerl, J. Mannhart, J.-M. Triscone, Nature 2008, 456, 624. 5. N. Reyren, S. Gariglio, A. D. Caviglia, D. Jaccard, T. Schneider, and J.-M. Triscone，Appl. Phys. Lett. 94, 112506 (2009). 6. Y. S. Kim, J. Kim, S. J. Moon, W. S. Choi, Y. J. Chang, J.-G. oon, J. Yu, J.-S. Chung,4 and T. W. Noh1, Appl. Phys. Lett. 94, 202906 (2009). 7. He Feizhou, Wells B O, Shapiro S M., Phys. Rev. Lett., 2005, 94: 176101.
同類課題研究水平概述
- 近幾年，鈣鈦礦氧化物異質(zhì)結(jié)的界面物理引起了國(guó)際上的普遍關(guān)注。雖然鈦酸鍶（STO）和鋁酸鑭（LAO）都是絕緣材料，并且都不具有磁性，但是最近人們?cè)贚AO/STO的異質(zhì)結(jié)中觀測(cè)到了超導(dǎo)電性和磁電阻性質(zhì)。很多研究小組就這些奇異的輸運(yùn)性質(zhì)與材料的結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了很多理論和實(shí)驗(yàn)研究。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性質(zhì)之間著存在密切的聯(lián)系。但遺憾的是，人們?nèi)匀粵](méi)有能夠弄明白問(wèn)題的本質(zhì)。目前，人們已經(jīng)可以確認(rèn)有三種結(jié)構(gòu)因素會(huì)影響其輸運(yùn)性質(zhì)，即氧空位、結(jié)構(gòu)畸變、電子界面重構(gòu)。另一方面，STO塊材在溫度降至接近絕對(duì)零度附近時(shí)仍然保持順電性，但近年來(lái)人們卻在STO薄膜中觀測(cè)到了室溫鐵電性。理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)應(yīng)變?cè)诒∧さ倪@種輸運(yùn)性質(zhì)和其他物理性質(zhì)的變化（例如，STO薄膜二級(jí)結(jié)構(gòu)相變轉(zhuǎn)變溫度的提高）。因此研究STO薄膜的微結(jié)構(gòu)（晶體取向和缺陷）有十分重要的意義。 X射線衍射技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在確定晶體取向、晶胞缺陷方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種先進(jìn)的、基本的科研表征手段。而幾種衍射方法的靈活、綜合運(yùn)用則能起到意想不到的效果。但也需要非常深厚的X射線衍射理論與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累。
