FEATURES OF CRYSTALLOGRAPHIC STRUCTURE OF CeO2 BUFFER LAYERS ON r-Al2O3 OBTAINED BY PULSE LASER DEPOSITION METHOD

ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ БУФЕРНЫХ СЛОЕВ CeO₂ НА r-Al₂O₃ ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ

Научная статья

Носов А.П.^1, *, Дубинин С.С.², Осотов В.И.³

¹ ORCID: 0000-0003-1475-0059;

¹ Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук,

Екатеринбург, Россия;

^{1, 2} Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,

Екатеринбург, Россия

* Корреспондирующий автор (nossov[at]imp.uran.ru)

Аннотация

В работе представлены результаты структурных исследований буферных слоев CeO₂ выращенных методом импульсного лазерного осаждения на монокристаллических подложках из r-Al₂O₃ ( ) при температуре подожки 750°С. Экспериментально показано, что при изменении давления кислорода в процессе роста, в условиях сохранения неизменными остальных параметров роста, возможно получение буферных слоев с разной кристаллографической ориентацией: при давлении кислорода 0,002 мбар буферные слои имеют ориентацию (111), а при давлении кислорода 0,2 мбар – (002). Полученные результаты могут представлять интерес для получения эпитаксиальных пленок и наногетероструктур со слоями из высокотемпературных сверхпроводников и допированных манганитов на монокристаллических подложках r-Al₂O₃ с буферными слоями из CeO₂.

Ключевые слова: тонкие пленки, импульсное лазерное осаждение, CeO₂, r-Al₂O₃.

FEATURES OF CRYSTALLOGRAPHIC STRUCTURE OF CeO₂ BUFFER LAYERS ON r-Al₂O₃ OBTAINED BY PULSE LASER DEPOSITION METHOD

Research article

Nosov A.P.^1, *, Dubinin S.S.², Osotov V.I.³

¹ ORCID: 0000-0003-1475-0059;

¹ Federal State Budgetary Institution of Science, M.N. Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, Russia;

^{1, 2} Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia

* Corresponding author (nossov[at]imp.uran.ru)

Abstract

The paper presents the results of structural studies of CeO₂ buffer layers grown by pulsed laser deposition on single-crystal substrates of r-Al₂O₃ ( ) at a substrate temperature of 750°C. It was shown experimentally that when the oxygen pressure changes during growth, while maintaining the remaining growth parameters unchanged, it is possible to obtain buffer layers with different crystallographic orientations: at an oxygen pressure of 0.002 mbar, the buffer layers have an orientation of (111), and at an oxygen pressure of 0.2 mbar – (002). The results obtained may be of interest for the preparation of epitaxial films and nanoheterostructures with layers of high-temperature superconductors and doped manganites on r-Al₂O₃ single-crystal substrates with CeO₂ buffer layers.

Keywords: thin films, pulsed laser deposition, CeO₂, r-Al₂O₃.

Введение

Получение высококачественных тонких пленок новых функциональных материалов и исследование их свойств является актуальной задачей современной фундаментальной и прикладной науки. Важную роль среди перспективных материалов играют сложные оксидные соединения с псевдокубической кристаллографической структурой такие как купратные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) составов (A)Ba₂Cu₃O_y, где A – редкоземельные элементы, и допированные манганиты с колоссальным магнитосопротивлением составов A_1-XB_XMnO₃, где A = Ca, Sr, Ba, Pb.

Рост тонких пленок сложных оксидных соединений с совершенной кристаллографической структурой возможен на монокристаллических подложках с близкими параметрами постоянных решетки, таких как SrTiO₃, LaAlO₃ и других. Однако такие подложки довольно дороги и их сложно получить в виде пластин больших размеров. Поэтому представляет большой интерес изучение особенностей роста и разработка технологий получения тонких пленок перечисленных сложных оксидных соединений на подложках, выпуск которых освоен в промышленных масштабах, например, сапфире (Al₂O₃) с гексагональной структурой. Из-за различий в типах кристаллических решеток получение структурно совершенных тонких пленок с псевдокубической кристаллографической структурой на подложках из Al₂O₃ невозможно. При нанесении на подложку с одной кристаллической структурой тонких буферных слоев с другой кристаллической структурой, соответствующей структуре выращиваемой пленки, рост высококачественных пленок можно реализовать только в определенных условиях. Подбор комбинаций материалов в системе пленка/буферный слой/подложка является достаточно сложной задачей. Однако, оказывается возможным выращивание тонких пленок сложных оксидов с псевдокубической кристаллографической структурой на буферных слоях CeO₂, которые, в свою очередь, можно вырастить на подложках из r-Al₂O₃ с кристаллографической ориентацией ( ).

Величина постоянной решетки кубического CeO₂ составляет 0,541 нм и близка к соответствующим значениям постоянных решетки YBa₂Cu₃O_y. Степень рассогласования для осей a, b и c составляет 0,15, 1,4 и 1,7% соответственно. Хорошие диэлектрические свойства Al₂O₃ делают структуры ВТСП/Al₂O₃ чрезвычайно привлекательными для разработки приборов и устройств, работающих в микроволновом диапазоне частот. Поэтому рост ВТСП пленок на подложках из r-Al₂O₃ с буферным слоем из CeO₂ уже достаточно давно привлекает интерес исследователей. В работе [5] было показано, что помимо диэлектрических подложек слои CeO₂ высокого качества можно выращивать и на металлических подложках с кубической структурой, пригодных для изготовления ВТСП кабелей второго поколения [6]. Как показано в работе [7] помимо ВТСП материалов на подложках с буферными слоями CeO₂ возможно также выращивать тонкие пленки допированных манганитов с колоссальным магнитосопротивлением.

Рост буферных слоев CeO₂ можно осуществлять такими методами, как магнетронное распыление [8], молекулярно-лучевая эпитаксия [9], импульсное лазерное осаждение [10]. Последний метод нашел наиболее широкое применение.

В общем случае буферные слои CeO₂ на подложках из r-Al₂O₃ могут характеризоваться сложной кристаллографической структурой, в рентгенодифракционных спектрах которой будет присутствовать несколько пиков, соответствующие различным кристаллографическим ориентациям (hkl), где значения h, k, l могут равняться нулю или натуральному числу. Получение слоев с какой-то одной ориентацией требует тщательного подбора параметров режима роста. При импульсном лазерном осаждении этими параметрами являются: длина волны лазерного излучения, энергия в импульсе, расстояние мишень – подложка, температура подложки, давление газа в процессе роста, режимы термообработки как в процессе, так и по окончании роста. Крайне желательным является возможность управления кристаллографической структурой выращиваемых буферных слоев путем изменения какого-то одного параметра роста.

В настоящей работе представлены результаты рентгенографического исследования кристаллической структуры буферных слоев CeO₂, на подложках из r-Al₂O₃, полученных импульсным лазерным осаждением. Показано, что только изменением давления кислорода в процессе роста, при сохранении остальных параметров роста неизменными, удается получать слои с ориентацией (111) при низком давлении и с ориентацией (002) при высоком давлении.

Эксперимент

Буферные слои CeO₂ выращивали на монокристаллических подложках из r-Al₂O₃ ( ) методом импульсного лазерного осаждения. Поликристаллическую мишень из CeO₂ приготавливали методом твердофазного синтеза с контролем фазового состава рентгенодифракционным методом. Осаждение материала мишени на подложку осуществляли в экспериментальной установке с использованием KrF эксимерного лазера модели CL7020 производства компании «Оптосистемы» (г.Троицк, Московской области). Использовалось излучение с длиной волны λ= 248 нм, энергию в импульсе можно было регулировать до уровня 400 мДж. Длительность импульсов составляла 20 нс, частота следования – 5 Гц. Излучение лазера фокусировали на мишени системой формирования и сканирования пучка в область площадью 0,5 мм². Для получения пленок фиксировали энергию в импульсе и количестве импульсов (5000). В процессе осаждения температуру подложки поддерживали равной 750С. Расстояние мишень - подложка составляло 35 мм. Была получена серия образцов при давлениях кислорода 0,2, 0,02 и 0,002мбар в условиях, когда остальные параметры роста оставались неизменными. Из-за зависимости скорости роста от давления толщина полученных буферных слоев составила от 9 до 57 нм для образцов, полученных при давлениях 0,2 и 0,002 мбар, соответственно. Толщину слоев измеряли с использованием оптического профилометра ZYGO New View.

Рентгеноструктурные исследования выполняли на специализированном дифрактометре с использованием Cu_Ka излучения. Все измерения были выполнены при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

На Рис.1. представлены участки дифрактограмм буферных слоев CeO₂ на r-Al₂O₃ выращенных при давлениях кислорода 0,002, 0,02 и 0,2 мбар и энергии в импульсе 350 мДж. Изменение давления кислорода в процессе роста, при неизменных остальных параметрах, сильно влияет на кристаллографическую структуру получаемых слоев. При малом давлении кислорода слои имеют ориентацию (111), при промежуточном давлении 0,02 мбар слои характеризуются структурой со сложной ориентацией, а при большом давлении - имеют ориентацию (002). На вставке показана зависимость отношения интенсивностей пиков I(002)/I(111) от давления кислорода в процесса роста.

Аналогичная зависимость отношения интенсивностей пиков I(002)/I(111) от давления была получена и для пленок, выращенных при использовании лазерного излучения с энергией в импульсе 200 мДж.

Рис.1 – Участки дифрактограмм буферных слоев CeO₂ на r-Al₂O₃ выращенных при давлениях кислорода 0,002, 0,02 и 0,2 мбар. На вставке – отношение интенсивностей пиков I(002)/I(111)

 

Наблюдаемые закономерности могут быть объяснены с учетом влияния давления кислорода на кинетику окисления церия на поверхности подложки в процессе роста. Процесс импульсного лазерного осаждения не является термодинамически равновесным. После воздействия лазерного импульса на мишень поступление материала мишени на подложку происходит с небольшой задержкой на время пролета промежутка мишень – подложка. В ходе этого процесса давление кислорода в области подложки может отличаться от общего давления в камере. Эти различия могут приводить к преимущественному росту слоев с ориентацией (002) при лучших окислительных условиях.

Полученные результаты согласуются с данными работ [9], в которой в качестве окислительной среды использовали как молекулярный кислород, так и кислород с ионизацией ВЧ разрядом непосредственно в камере роста. При росте в условиях дополнительной ионизации получали слои с преимущественной ориентацией (002).

В случае импульсного лазерного осаждения возможность изменения кристаллографической ориентации буферных слоев CeO₂ на r-Al₂O₃ путем изменения только давления кислорода в процессе роста представляет большой интерес для получения тонких слоев и наногетероструктур на основе ВТСП материалов и допированных манганитов.

Заключение

Исследовано влияние давления кислорода на кристаллографическую ориентацию буферных слоев CeO₂ на монокристаллических подложках из r-Al₂O₃ выращенных методом импульсного лазерного осаждения. Показано, что при остальных неизменных параметрах роста при давлении кислорода 0,002 мбар буферные слои имеют ориентацию (111), а при давлении кислорода 0,2 мбар – (002). Такая зависимость по-видимому обусловлена влиянием давления кислорода на кинетику окисления церия на поверхности подложки в процессе роста. Результаты могут представлять интерес для получения высококачественных эпитаксиальных пленок высокотемпературных сверхпроводников и допированных манганитов на монокристаллических подложках из CeO₂/r-Al₂O₃.

Финансирование	Funding
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема «Спин», № АААА-А18-118020290104-2).	The research was carried out within the state assignment of Ministry of Education and Sciences of Russia (theme “Spin” No. АААА-А18-118020290104-2),
Конфликт интересов	Conflict of Interest
Не указан.	Non declared

Список литературы / References

1. Sakuma K. Trifluoroacetate metal organic deposition derived (Y₇₇Gd_0.23)Ba₂Cu₃O_y films on CeO₂ buffered R-plane Al₂O₃ substrates / Sakuma K., Sato M., Miura M. // Japanese J.Appl.Phys. – 2018. – Vol.57. – No.3. – P. 033102.
2. Sekiya N. Temperature dependence of power handling capability of HTS filter with double-strip resonator / Sekiya N., Fujihara, K. // Physica C – Superconductivity and its Applications. – 2016. – Vol.560. P.117-119.
3. Sekiya N. Design of high-order HTS dual-band bandpass filters with receiver subsystem for future mobile communication systems / Sekiya N. // Physica C – Superconductivity and its Applications. – 2016. – Vol.527. P.91-97.
4. Ota Y. Relationship between superconducting properties of EuBa₂Cu₃O₇ thin films and surface morphology of CeO₂ buffer layers on R-Al₂O₃ / Ota Y., Sakuma K., Kimura Y. et al // Physica C – Superconductivity and its Applications. – 2006. – Vol.445. – P.849-852.
5. Nosov A. P. Structure of Buffer CeO₂ and LaNiO₃ Layers Prepared by Method of Pulsed Laser Deposition on Textured Ni–Cr–W Substrates / Nosov A. P., Krinitsina T. P., Kuznetsova E. I. et al // The Physics of Metals and Metallography. - 2013. - Vol.114. - No.10. - P.845–850.
6. Schastlivtsev V.M. Nickel Alloy Substrates with a Sharp Cube Texture for High-Tc Superconducting Tapes / Schastlivtsev V.M., Ustinov V.V., Rodionov D.P. et al // Doklady Physics. - 2004. - V.49. - No.3. - P.167–170.
7. Perna P. High Curie temperature for La0.7Sr0.3MnO3 thin films deposited on CeO2/YSZ-based buffered silicon substrates / Perna P., Mechin L., Chauvat M.P. et al // Phys.:Condens. Matter. – 2009.- Vol.21. - 306005 (5pp).
8. Kimura Y. EuBa₂Cu₃O₇ films grown on vicinal R-Al₂O₃ substrates with CeO₂ buffer layers by magnetron sputtering / Kimura Y., Michikami O., Fujiwara S. et al // Physica C – Superconductivity and its Applications. – 2008. – Vol.468. – No.15-20. - P.1847-1850.
9. Kurian J. Growth of epitaxial CeO₂ thin films on r-cut sapphire by molecular beam epitaxy / Kurian J., Naito M. // Physica C – Superconductivity and its Applications. – 2004. – Vol.402. – P.31-37.
10. Boikov Yu. A. High tunability of the permittivity of heterostructures on sapphire substrates / Boikov Yu. A., Claeson T. // Journal of Applied Physics. – 1997. -Vol.81. - P.3232-3236.