SrTiO3薄膜的掠入射X射线衍射研究

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院,江苏 淮安 223300)

0 引言

绝缘氧化物SrTiO3(STO)和LaAlO3(LAO)薄膜之间的外延界面表现出很多很有趣的性质,包括准二维电子气,低温超导,以及磁性等[1]．另外,STO薄膜本身也表现出许多与块材不同之处,如:室温铁电性、低温超高介电常数、结构相变转变温度的提高、低温绿光发射及室温蓝光发射等[2-4]．人们发现这些奇异的物理性质除了跟电子界面重构、结构缺陷有关以外还跟薄膜的面内晶格应变有很大的关系．而要观测薄膜的面内晶格应变,除了在薄膜生长过程中采用高能电子反射实时监控以外,还可以随时通过掠入射X射线衍射技术非原位测量．掠入射X射线衍射是随着同步辐射光源的出现而兴起来的一门新技术,其测量原理如下.

1 测量原理

波长为λ的X射线在材料中的折射率为:

(1)

(2)

(3)

(2)

(5)

上式已略去了吸收的影响．在掠入射角αi小于全反射临界角αc的区域内,介质材料中的X射线电场只集中在上式决定的穿透深度内,大大提高了来自表面原子层信号的信噪比,而材料体内的信息得到抑制．当αi>αc时,穿透深度取决于线吸收系数μ,可表示为:

(6)

掠入射X射线衍射几何主要有两种:共面极端非对称Bragg反射几何和非共面Bragg-Laue几何.分别如图1a和图1b所示．对于图1a情形,衍射晶面与样品表面形成近Bragg角,入射线、镜面反射线和衍射线共面,而对于图1b情形,衍射晶面与样品表面垂直,衍射矢量位于样品表面,入射线、镜面反射线和衍射线不共面,但均与样品表面成一小的角度(～αc)．衍射矢量也可以与表面成一小的角度,这时衍射晶面与样品表面接近于垂直,这种情况也属于非共面Bragg-Laue衍射几何．

(a)共面几何(CG) (b)非共面几何(NCG)

图2 五圆测角仪示意图

2 实验部分

单晶STO靶用于生长STO薄膜;(100)取向的LAO和(110)取向的单晶DSO薄片用来做衬底,放入样品腔之前先对其进行系列的清洗．STO薄膜在氧气压1.4×10-2mbar,温度800℃的最佳环境下生长,然后在较高的氧气压600mbar下冷却至室温．薄膜的厚度用一台Dektax3ST表面分析仪测定,厚度为分别为80，100和150nm．

3 结果与讨论

通过(5)和(6)式,我们可以将掠入射角度换算成X射线入射深度,那么我们就可以获得在的不同深度处对应的薄膜的面内晶格参数．图3所示的是STO (100nm)/DSO薄膜面内晶格参数随样品厚度的变化关系．从薄膜与衬底之间的界面向薄膜表面来看,薄膜的晶格参数的变化可以分为三个区域:1)界面区,2)应变驰豫区,3)表面区．图3中点线用来引导读者的视线,无实际意义．插图中显示的是深度随掠入射角的变化关系．

界面区可以从横坐标的100nm处开始,一直到深度为70nm处,薄膜的面内晶格参数在这段近30nm的区域内基本保持不变,近似等于衬底的晶格参数,即薄膜处于完全应变状态．这与我们采用改进的Matthews方程计算出的STO/DSO异质结的应变临界厚度hc=34.5nm基本一致[6]．

应变驰豫区则是从深度为70nm开始直到深度为10nm左右,在这段区域内,薄膜由于超出了临界厚度,开始通过发生应变驰豫来释放应变能．晶格参数从接近衬底的晶格参数0.3940nm变化到0.3912nm．

图3 薄膜面内晶格参数随深度的变化关系

图4 薄膜面内应变随深度的分布关系

图4是STO(80nm)/LAO和STO(150nm)/LAO的面内应变随深度分布的关系[8]．由图中我们可以发现,薄膜同样可分为三个区域:表面区域,应变弛豫区,和界面去．表面区厚度大概为8nm,在这个区域应变变化较快,这可能是由于表面张力引起的．STO(150nm)/LAO的应变弛豫区深度为8～120nm区域,在这个区域由于衬底和薄膜之间的晶格失配较大,当薄膜厚度超过临界厚度后必然产生位错或者其他缺陷以释放巨大的应变能,从而产生应变弛豫．界面区对应于薄膜生长最初的阶段．由于掠入射角度有限,我们没有能够获得足够深度的结构信息．我们的实验结果跟Luke S.J.Peng等人[9]采用原位RHEED方法测出的面内应变随厚度的变化关系也基本一致．

4 结论

通过掠入射X射线衍射测量,我们发现每个STO薄膜的面内晶格参数随厚度的变化关系都不是线性的,而是可以分为三个区域．我们还分别就此三个区域的来源做了合适的解释．

致谢作者感谢南京大学吴小山教授和南京理工大学谭伟石博士在实验方法上的指导!

[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.