基本信息
- 项目名称：
- 钛酸锶薄膜的劳厄背散射实验和理论模拟
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我们采用了多种X射线衍射技术对锶钌氧（SRO）作为电极层的钛酸锶（STO）薄膜的微结构进行了表征，发现了STO薄膜中存在两种取向结构，其中一种比较罕见。我们的劳厄背散射理论模拟证实了实验结果的正确性。
- 详细介绍：
- 摘要：本文采用了多种X射线衍射技术，例如常规的θ/2θ 扫描、摇摆曲线、劳厄背散射等，来研究SrTiO3薄膜的晶格取向。结果证实薄膜不仅具有(001) 取向，而且还有一种罕见的(211)取向。另外，我们的劳厄背散射理论模拟也与实验结果有很好的一致性。 关键词：晶格取向； X射线衍射； 劳厄背散射 一、实验过程 本实验将激光分子束外延生长的STO薄膜的晶格取向的确定作为研究内容，在Rigaku Dmax-rB, Bruker advanced D8，Siemens D5000HR衍射仪和南京大学自行研制的劳厄相机上，采用常规的θ/2θ、劳厄背散射和摇摆曲线X射线衍射方法，分析了薄膜晶格取向。 二、结果和讨论 LAO具有菱方结构或者畸变的六角结构（晶格参数为a=5.364Å, c=13.11Å, 空间群为 ），在813K以上转变为理想的立方钙钛矿结构空间群（）。[12]但在室温下，人们通常将LAO视为赝立方结构，晶格参数为a=3.790Å。SRO是一种最好的导电性氧化物材料，有很好的导热性和稳定性，且有很强的耐腐蚀性。它属于斜方晶系（空间群为Pbnm），晶格参数为a=5.567Å, b=5.530Å, c=7.844Å。室温下，SRO也经常被视为赝立方结构，晶格参数为3.922Å。STO在室温下具有立方结构（空间群为），晶格参数为a=3.905 Å。 图1 SRO/LAO 样品的和STO/SRO/LAO样品的扫描。 图1a是SRO（10nm）/LAO样品的高角θ/2θ扫描。在图中，我们仅可以看到LAO衬底和SRO薄膜的()衍射峰，而没有来自其他晶面的衍射峰。说明薄膜是单取向生长的。图1b是STO（100nm）/SRO（10nm）/LAO样品的高角扫描，在图中，我们不仅可以看到LAO衬底和SRO缓冲层和STO薄膜的（00l）衍射峰，而且还出现了STO或者SRO的（211）晶面的衍射峰，我们无法从该图中分辨出此衍射峰来自STO或者SRO。 在此，我们可以提出三个疑问：第一，（211）究竟属于STO还是SRO？第二，()峰来自STO还是SRO，或者两者共有？第三，STO薄膜是单取向还是双取向生长？基于以上三个问题，我们做了一系列实验。 第一，（211）究竟属于STO还是SRO？ 图1b中（211）峰的2θ=57.72º，该值正好处于块材STO (57.787º)和SRO (57.511º)的之间。在实验过程部分我们已经提到，底电极的生长温度相对较低。这样做的目的是为了使电极层在很小的厚度范围内充分驰豫。假设SRO部分驰豫，那么它的C方向晶格参数将变大，2θ值变小。因此，我们可以认为此衍射峰来自STO。同时，考虑到SRO薄膜与SRO底电极层在相同环境下生长，我们有理由相信此（211）峰来自STO而非SRO。 由于（211）取向的薄膜非常罕见，为了慎重起见，我们对此结论进行了对称和非对称摇摆曲线测量论证。如果（211）晶面确实存在并且与薄膜表面平行。那么，如果我们将探测器固定在，在附近作扫描，即作摇摆曲线扫描，一个高斯线形的衍射峰将能被观测到。图2a和2b给出了实验的衍射几何和实验的测量结果。虽然该峰的峰高全宽接近1º，但具有很好的高斯线形。 如图2d所示，接下来的非对称面（220）晶面的摇摆曲线也具有很好的高斯形状。图2c给出了非对称衍射几何图示。这些对称和非对称摇摆曲线测量证明（211）取向的晶面确实存在并且与薄膜表面平行。 图2 STO/SRO/LAO样品：(a) 211）对称晶面衍射几何；(b)（211）晶面的摇摆曲线；(c)（220）非对称晶面衍射几何；(d)（220）晶面的摇摆曲线。 第二，()峰来自STO还是SRO，或者两者共有？ 由于STO和SRO之间的晶格失配度很小(0.43%)，考虑到微结构缺陷，例如氧空位或者Sr与Ru之间的化学计量匹配不平衡，当我们将SRO和STO生长在同一种衬底上时，有时候将很难区分它们的衍射峰。 为了弄清楚这个问题，我们仍然采用了摇摆曲线测量方法。令人遗憾的是（002）面的摇摆曲线仍然是单峰。因此，我们猜想非对称面应该能够区分出来。因为根据弹性理论，STO的面内晶格参数应该比SRO的小。于是，我们做了（103）非对称面的摇摆曲线。让人惊奇的是，该峰也是单峰。我们根据ω/2θ测量计算了面内晶格参数为3.923Å（这里假设薄膜发生四方畸变，根据高角θ/2θ测得c=3.920nm）。该值SRO块材晶格参数基本一致，说明SRO电极层完全驰豫。 图3 STO/SRO/LAO样品样品的对称面和非对称面摇摆曲线。（a）对称（002）晶面摇摆曲线；（b）非对称（103）晶面摇摆曲线。 至此，如果我们假设峰完全来自SRO，而（211）来自STO，或者说STO是单取向的，上面的实验结果将能很好的被解释。但由于我们以前从未观测到如此单取向的STO薄膜，我们又对这两块样品做了劳埃背散射研究。取得的结果也是意想不到的。 图4a和b是SRO/LAO 和 STO/SRO/LAO样品的劳厄背散射照片，两张照片中的劳厄斑点都具有很好的四次旋转对称性。这个结果跟我们的XRD结果是相矛盾的。因为（211）晶面的背散射斑点不应该具有四次旋转对称性。 图4 SRO/LAO (a)和STO/SRO/LAO(b)样品的劳埃背散射图。 图5是我们自己编写程序模拟出来的X射线沿[211]晶向入射的衍射斑点分布图，该图并不具有四次旋转对称性。 我们慎重地考虑了以上问题，认为薄膜并不是二维层状，而是三维岛状生长的。晶粒之间的晶格取向可能是非均匀分布的。一种较为合理的解释是，入射的X射线斑点相对于薄膜大小要大很多，在我们的实验当中，X光斑点正好没有打到（211）取向的部分。 我们接着讨论()峰的问题，如果我们仔细对比图4a和b，将会发现两者有很大的不同。图4a是由两套明暗相间的斑点组成，亮斑点对应于LAO衬底，较暗的斑点对应于SRO薄膜。这证明了两者之间的匹配关系为SRO [001]o ║LAO [001]h, SRO [100]o║LAO [100]h, SRO [010]o ║LAO [121]h (其中下标o和h分别表示正交和六角结构)。我们假设两者之间具有上述的匹配关系，模拟了该体系的劳厄背散射，结果如图6a所示，理论与实验基本一致。 图6b中的斑点分布与图6a有显著不同。简单地说，与SRO/LAO结果相比STO/SRO/LAO图中多出一套衍射斑点，这些斑点显然只可能来之STO薄膜。根据前面的讨论，这些斑点不可能是(211)取向的。我们假设STO与SRO之间的匹配关系为STO [001)]c ║ SRO [001]o, STO [110]c║SRO (010)o, STO[]c║SRO [100]o。换句话说，STO的面内晶格取向相对于SRO旋转了45º。我们据此模拟了STO/SRO/LAO的背散射结果，发现理论与图4b的实验结果符合很好。 图5 STO/SRO/LAO劳埃衍射图。 这种面内匹配关系也是很好理解的，因为我们虽然常把SRO和LAO看做赝立方结构，但是它们真正的结构是正交和菱方结构，SRO在（100）和（010）方向的晶格常数分别为5.53Å和5.57Å ,与STO之间的晶格失配很大，为+29.7%。但是如果STO面内旋转45°生长，则两者之间的失配度将降低为+0.38%。而小的晶格失配度将更有利于高质量薄膜的生长。 图6 STO/SRO (a) 和STO/SRO/LAO (b) 样品劳埃背散射模拟图。 经过以上分析。我们得出STO/SRO/LAO样品中确实也存在STO（001）晶面与样品表面平行的取向结构，即STO薄膜中存在两种取向结构。当然，我们前面所采用的各种方法都是间接测量，要更深入的了解该薄膜中的晶格取向，还需要直接的微观测量，例如高分辨透射电镜测量。 三、结论 我们采用了多种X射线衍射技术对SRO作为电极层的STO薄膜的微结构进行了表征，发现了STO薄膜中存在两种取向结构，其中一种比较罕见。我们的劳厄背散射理论模拟证实了实验结果的正确性。但关于薄膜中两种取向结构的非均匀分布还需进一步的实验验证。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 劳厄背散射实验是确定晶体和薄膜晶向的一种最简洁方便的方法。本作品通过对两块钙钛矿氧化物钛酸锶薄膜晶向的测定，并通过理论模拟，从课程学习角度来看，使我们对常规的X射线衍射及劳厄背散射方法有更直观、深刻的理解与认识。从科研角度来讲，为将来考取研究生并尽快的适应研究性内容打下良好的基础。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性与先进性在于综合运用里几种X射线衍射技术（包括劳厄背散射和理论模拟）来确定薄膜的晶体取向。 独特之处在于自己编设小程序来模拟劳厄背散射与实验结果相比拟。
应用价值和现实意义
- 创新点在于采用多种X射线衍射方法无损测定薄膜的晶格取向。技术难点在于劳厄背散射方法的理论模拟编程。实际应用非常广泛，最主要的是可以确定晶体的物质结构。
学术论文摘要
- 本文采用了多种X射线衍射技术，例如常规的θ/2θ 扫描、摇摆曲线、劳厄背散射等，来研究SrTiO3薄膜的晶格取向。结果证实薄膜不仅具有(001) 取向，而且还有一种罕见的(211)取向。另外，我们的劳厄背散射理论模拟也与实验结果有很好的一致性。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 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.
同类课题研究水平概述
- 近几年，钙钛矿氧化物异质结的界面物理引起了国际上的普遍关注。虽然钛酸锶（STO）和铝酸镧（LAO）都是绝缘材料，并且都不具有磁性，但是最近人们在LAO/STO的异质结中观测到了超导电性和磁电阻性质。很多研究小组就这些奇异的输运性质与材料的结构之间的内在联系进行了很多理论和实验研究。虽然已经发现结构与输运性质之间着存在密切的联系。但遗憾的是，人们仍然没有能够弄明白问题的本质。目前，人们已经可以确认有三种结构因素会影响其输运性质，即氧空位、结构畸变、电子界面重构。另一方面，STO块材在温度降至接近绝对零度附近时仍然保持顺电性，但近年来人们却在STO薄膜中观测到了室温铁电性。理论和实验都证实应变在薄膜的这种输运性质和其他物理性质的变化（例如，STO薄膜二级结构相变转变温度的提高）。因此研究STO薄膜的微结构（晶体取向和缺陷）有十分重要的意义。 X射线衍射技术是一种无损检测技术，在确定晶体取向、晶胞缺陷方面具有独特的优势，是一种先进的、基本的科研表征手段。而几种衍射方法的灵活、综合运用则能起到意想不到的效果。但也需要非常深厚的X射线衍射理论与实验经验的积累。
