SrTiO3薄膜的掠入射X射線衍射研究

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

0 引言

絕緣氧化物SrTiO3(STO)和LaAlO3(LAO)薄膜之間的外延界面表現(xiàn)出很多很有趣的性質(zhì),包括準(zhǔn)二維電子氣,低溫超導(dǎo),以及磁性等[1]．另外,STO薄膜本身也表現(xiàn)出許多與塊材不同之處,如:室溫鐵電性、低溫超高介電常數(shù)、結(jié)構(gòu)相變轉(zhuǎn)變溫度的提高、低溫綠光發(fā)射及室溫藍(lán)光發(fā)射等[2-4]．人們發(fā)現(xiàn)這些奇異的物理性質(zhì)除了跟電子界面重構(gòu)、結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)以外還跟薄膜的面內(nèi)晶格應(yīng)變有很大的關(guān)系．而要觀測(cè)薄膜的面內(nèi)晶格應(yīng)變,除了在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中采用高能電子反射實(shí)時(shí)監(jiān)控以外,還可以隨時(shí)通過(guò)掠入射X射線衍射技術(shù)非原位測(cè)量．掠入射X射線衍射是隨著同步輻射光源的出現(xiàn)而興起來(lái)的一門(mén)新技術(shù),其測(cè)量原理如下.

1 測(cè)量原理

波長(zhǎng)為λ的X射線在材料中的折射率為:

(1)

(2)

(3)

(2)

(5)

上式已略去了吸收的影響．在掠入射角αi小于全反射臨界角αc的區(qū)域內(nèi),介質(zhì)材料中的X射線電場(chǎng)只集中在上式?jīng)Q定的穿透深度內(nèi),大大提高了來(lái)自表面原子層信號(hào)的信噪比,而材料體內(nèi)的信息得到抑制．當(dāng)αi>αc時(shí),穿透深度取決于線吸收系數(shù)μ,可表示為:

(6)

掠入射X射線衍射幾何主要有兩種:共面極端非對(duì)稱(chēng)Bragg反射幾何和非共面Bragg-Laue幾何.分別如圖1a和圖1b所示．對(duì)于圖1a情形,衍射晶面與樣品表面形成近Bragg角,入射線、鏡面反射線和衍射線共面,而對(duì)于圖1b情形,衍射晶面與樣品表面垂直,衍射矢量位于樣品表面,入射線、鏡面反射線和衍射線不共面,但均與樣品表面成一小的角度(～αc)．衍射矢量也可以與表面成一小的角度,這時(shí)衍射晶面與樣品表面接近于垂直,這種情況也屬于非共面Bragg-Laue衍射幾何．

(a)共面幾何(CG) (b)非共面幾何(NCG)

圖2 五圓測(cè)角儀示意圖

2 實(shí)驗(yàn)部分

單晶STO靶用于生長(zhǎng)STO薄膜;(100)取向的LAO和(110)取向的單晶DSO薄片用來(lái)做襯底,放入樣品腔之前先對(duì)其進(jìn)行系列的清洗．STO薄膜在氧氣壓1.4×10-2mbar,溫度800℃的最佳環(huán)境下生長(zhǎng),然后在較高的氧氣壓600mbar下冷卻至室溫．薄膜的厚度用一臺(tái)Dektax3ST表面分析儀測(cè)定,厚度為分別為80，100和150nm．

3 結(jié)果與討論

通過(guò)(5)和(6)式,我們可以將掠入射角度換算成X射線入射深度,那么我們就可以獲得在的不同深度處對(duì)應(yīng)的薄膜的面內(nèi)晶格參數(shù)．圖3所示的是STO (100nm)/DSO薄膜面內(nèi)晶格參數(shù)隨樣品厚度的變化關(guān)系．從薄膜與襯底之間的界面向薄膜表面來(lái)看,薄膜的晶格參數(shù)的變化可以分為三個(gè)區(qū)域:1)界面區(qū),2)應(yīng)變馳豫區(qū),3)表面區(qū)．圖3中點(diǎn)線用來(lái)引導(dǎo)讀者的視線,無(wú)實(shí)際意義．插圖中顯示的是深度隨掠入射角的變化關(guān)系．

界面區(qū)可以從橫坐標(biāo)的100nm處開(kāi)始,一直到深度為70nm處,薄膜的面內(nèi)晶格參數(shù)在這段近30nm的區(qū)域內(nèi)基本保持不變,近似等于襯底的晶格參數(shù),即薄膜處于完全應(yīng)變狀態(tài)．這與我們采用改進(jìn)的Matthews方程計(jì)算出的STO/DSO異質(zhì)結(jié)的應(yīng)變臨界厚度hc=34.5nm基本一致[6]．

應(yīng)變馳豫區(qū)則是從深度為70nm開(kāi)始直到深度為10nm左右,在這段區(qū)域內(nèi),薄膜由于超出了臨界厚度,開(kāi)始通過(guò)發(fā)生應(yīng)變馳豫來(lái)釋放應(yīng)變能．晶格參數(shù)從接近襯底的晶格參數(shù)0.3940nm變化到0.3912nm．

圖3 薄膜面內(nèi)晶格參數(shù)隨深度的變化關(guān)系

圖4 薄膜面內(nèi)應(yīng)變隨深度的分布關(guān)系

圖4是STO(80nm)/LAO和STO(150nm)/LAO的面內(nèi)應(yīng)變隨深度分布的關(guān)系[8]．由圖中我們可以發(fā)現(xiàn),薄膜同樣可分為三個(gè)區(qū)域:表面區(qū)域,應(yīng)變弛豫區(qū),和界面去．表面區(qū)厚度大概為8nm,在這個(gè)區(qū)域應(yīng)變變化較快,這可能是由于表面張力引起的．STO(150nm)/LAO的應(yīng)變弛豫區(qū)深度為8～120nm區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域由于襯底和薄膜之間的晶格失配較大,當(dāng)薄膜厚度超過(guò)臨界厚度后必然產(chǎn)生位錯(cuò)或者其他缺陷以釋放巨大的應(yīng)變能,從而產(chǎn)生應(yīng)變弛豫．界面區(qū)對(duì)應(yīng)于薄膜生長(zhǎng)最初的階段．由于掠入射角度有限,我們沒(méi)有能夠獲得足夠深度的結(jié)構(gòu)信息．我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟Luke S.J.Peng等人[9]采用原位RHEED方法測(cè)出的面內(nèi)應(yīng)變隨厚度的變化關(guān)系也基本一致．

4 結(jié)論

通過(guò)掠入射X射線衍射測(cè)量,我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)STO薄膜的面內(nèi)晶格參數(shù)隨厚度的變化關(guān)系都不是線性的,而是可以分為三個(gè)區(qū)域．我們還分別就此三個(gè)區(qū)域的來(lái)源做了合適的解釋?zhuān)?/p>

致謝作者感謝南京大學(xué)吳小山教授和南京理工大學(xué)譚偉石博士在實(shí)驗(yàn)方法上的指導(dǎo)!

[1]Huijben M,Brinkman A,Koster G,et al.Structure-Property Relation of SrTiO3/LaAlO3Interfaces[J].Adv Mat,2009,21: 1665-1677.

[2]Haeni J H,Irvin P,Chang W.Room-temperature ferroelectricity in strained SrTiO3[J].Nature,2004,430: 758-761.

[3]He Feizhou,Wells B O.Structural phase transition in epitaxial perovskite films[J].Phys Rev B,2004,70(23): 5405-5414.

[4]Daisuke Kan,Takahito Terashima,Ryoko Kanda,et al.Blue-light emission at room temperature from Arirradiated SrTiO3[J].Nature Materials,2005,4: 816-819.

[5]Dosch H.Evanescent absorption in kinematic surface Bragg diffraction[J].Phys Rev B,1987,35: 2137-2143.

[6]Zhai Z Y,Wu X S,Cai H L,et al.Dislocation density and strain distribution in SrTiO3film grown on (110)DyScO3substrate[J].J Phys D: Appl Phys,2009,42: 105307-105312.

[7]Wu X S,Cai H L,Xu J,et al.Tan et al.Substrate and thickness effects on structure and transport properties of La2/3Ca1/3MnO3films[J].Appl Phys,2004,95: 7109-7115.

[8]Zhai Z Y,Wu X S,Jiang Z S,et al.Strain distribution in epitaxial SrTiO3thin films[J].Appl Phys Lett,2006,86: 262902-262904.

[9]Luke S J,Peng X,Xi X,et al.Moeckly Strain relaxation during in situ growth of SrTiO3thin films[J].Appl Phys Lett,2003,83: 4592-4594.