利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法与流程

1.本发明属于薄膜生长技术领域，特别是一种利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法。


背景技术：

2.复杂氧化物超晶格在物态调控与二维物理等领域取得了重大成就，如界面诱导的超导、多铁性、二维电子气、金属-绝缘体相变、磁电耦合效应等。但目前复杂氧化物超晶格都是纵向的层状结构，如果能够实现横向超晶格结构就可以极大地增强人工调控的灵活性，在一个单层结构内设计不同比例含量的材料a区域和材料b区域，从而将超晶格的界面优势推进到一个新的层面：1)增强物态调控能力；2)研究新型一维体系的演生物性，为全氧化物自旋电子器件的研发奠定物理基础。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种氧化物横向超晶格的生长方法，用以增加材料的界面效应，实现原子的人工调控。本发明提供了一种利用脉冲激光沉积技术实现横向超晶格的生长的技术方案，本发明方法可以实现对超晶格结构中单层材料的各个组分的精确控制，使其和衬底横向外延生长，因此，得到的氧化物的横向超晶格材料晶体质量高，缺陷少；并且氧化物的界面直接暴露在表面上，为直接、原位探测界面的性质提供了强有力的手段。除此之外，该氧化物横向超晶格的生长方法可以结合纵向超晶格的生长方法，实现对材料多维度的全调控。
4.本发明的采用以下技术方案。
5.一种利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其采用台阶结构的单晶衬底，利用脉冲激光沉积方法在单晶衬底上沿台阶横向外延生长晶格常数接近的氧化物a和氧化物b形成单层横向超晶格；包括以下步骤：
6.1)将台阶宽度为l的单晶衬底放入脉冲激光沉积系统生长室、氧化物靶材a和b放入脉冲激光沉积系统靶台内；
7.2)加热衬底温度达到ta，调节氧压到pa，转动靶台到氧化物靶材a的位置，调节脉冲激光能量ea、频率fa以及聚焦位置xa，在衬底上沿台阶边缘横向外延生长氧化物a，纵向高度为1个原子层，横向宽度为la；
8.3)改变衬底温度tb,调节氧压pb，转动靶台到氧化物靶材b的位置，改变脉冲激光能量eb，脉冲激光频率fb以及聚焦位置xb；在步骤2)得到的结构的基础上横向外延生长氧化物b，纵向高度为1个原子层，,横向宽度为lb；
9.4)将la+lb作为一个周期，重复生长n个周期，达到(la+lb)
·
n＝l，此时在第一层中实现氧化物a和氧化物b组分的精确控制，制得纵向高度为1个原子层的横向超晶格。
10.本发明中，台阶结构的单晶衬底的台阶高度和靶材a和靶材b的原子层高度(晶格常数)接近。
11.本发明中，还包括步骤5)：重复步骤2)-步骤4)，在纵向方向上实现n层，即可实现氧化物a、b材料横向可调超晶格制备。
12.本发明中，通过改变步骤2)和3)中激光脉冲数，即实现不同材料在同一层的组分配比而实现横向超晶格调控。
13.和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
14.1)本发明可以通过调节激光脉冲数来控制材料沿台阶横向外延生长的宽度，改变激光脉冲数激光脉冲数即实现不同材料在同一层的组分配比而实现横向超晶格调控；
15.2)结合传统的纵向超晶格，利用本发明中的横向超晶格结构实现掺杂元素的空间多维度的有序排布，增强物态调控能力；
16.3)利用形成的横向超晶格结构，研究新型一维体系的衍生物性，通过增加界面促进对于低维体系的研究，如图6所示；
17.4)本发明的横向超晶格样品的制备技术开拓了一种新的复杂氧化物薄膜界面调控的方法，并且可以推及到其他所有关联体系，为全氧化物自旋电子器件的研发奠定物理基础。
附图说明
18.图1是本发明实施例中脉冲激光沉积系统生长样品示意图。
19.图2是本发明实施例中材料a生长示意图。
20.图3是本发明实施例中材料b生长示意图。
21.图4是本发明实施例中横向超晶格生长示意图。
22.图5是本发明实施例中不同周期的横向超晶格结构示意图。
23.图6是本发明实施例中横向超晶格界面处的一维链示意图。
24.图7是本发明实施例中使用的斜切角miscut《0.1，srtio3(100)的衬底的表面形貌图。
25.图8是本发明实施例中生长后的[bifeo3/srruo3]
10
横向超晶格的表面形貌图。
具体实施方式
[0026]
为了使本发明的技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例进一步详细说明。应当理解，以下描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一部分，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定索要保护的范围。
[0028]
本发明提供一种基于单晶台阶衬底生长氧化物横向超晶格的方法，包括以下步骤：
[0029]
1)将单晶台阶宽度为l的衬底放入脉冲激光沉积系统生长室、氧化物靶材a和b放入脉冲激光沉积系统靶台内，如图1所示。
[0030]
2)加热衬底到ta，调节氧压到pa，转动靶台到靶材a的位置，调节脉冲激光能量ea、频率fa以及聚焦位置xa，在衬底上沿台阶边缘横向外延生长材料a，纵向高度为1个原子层，横向宽度为la，如图2所示。
[0031]
3)改变衬底温度tb,调节氧压pb，转动靶台到靶材b的位置，改变脉冲激光能量eb，
脉冲激光频率fb以及聚焦位置xb。在2)的基础上横向外延生长材料b，横向宽度为lb，纵向高度为1个原子层，如图3所示。
[0032]
4)将la+lb作为一个周期，重复生长n个周期，达到(la+lb)
·
n＝l，此时在第一层中实现组分的精确控制。
[0033]
5)重复步骤2)-步骤4)，在纵向方向上实现n层，即可实现氧化物a、b材料横向可调超晶格制备，如图4所示。
[0034]
作为本发明的另一个方面，提供一种利用上述的方法得到横向超晶格的结构，其包括：单晶台阶状衬底；具有周期的横向的超晶格(图5)，形成于所述衬底上。图5展示了不同类型的横向超晶格结构。
[0035]
本发明提出一种利用脉冲激光沉积技术制备氧化物横向超晶格的方法。该生长方法主要包括：衬底筛选阶段，探索氧化物材料生长速率阶段以及主体层生长阶段。衬底筛选阶段通过原子力显微镜(afm)筛选衬底，要求表面平整，台阶明显，且台阶宽度适中。探索氧化物材料生长速率阶段，基于筛选的衬底和脉冲激光沉积系统(pld)的生长动力学，通过控制衬底温度和主腔的氧压，调节激光器的能量、频率以及聚焦来调节氧化物在衬底表面的生长模式，以达到氧化物材料沿台阶横向生长的step-flow生长模式，同时精准调节每次生长一层的激光脉冲数来确定氧化物的实际生长速率。主体层生长阶段是基于第二阶段探索氧化物step-flow的生长条件，通过精确的调节激光脉冲数来控制材料沿台阶横向外延生长的宽度，改变激光脉冲数数即可实现不同材料在同一层的组分配比而实现调控横向超晶格。
[0036]
氧化物横向超晶格的制备方法对于所要生长的材料没有要求，但对衬底有严格的要求。在本实例中使用的衬底为有台阶的单晶srtio3(100)，斜切角miscut《0.1，台阶宽度l＝240nm，台阶高度为一个原子层高度，如图7所示。生长的材料为bifeo3和srruo3。本实例的横向超晶格具体制备步骤如下：
[0037]
分别将bifeo3和srruo3的靶材放入脉冲激光沉积系统主腔生长室的靶台内，要求主腔生长室的真空度达到5
×
10-8
mbar。通过氧气管向主腔通入氧气直到氧压达到2
×
10-5
mbar，设置波长为248nm激光器的能量240mj以及频率5hz，在此条件下，激光清洗bifeo3和srruo3的靶材，去除表面的杂质。同时调节聚焦位置，其中bifeo3和srruo3的聚焦位置分别是43.5cm和44.2cm。
[0038]
将清洗干净的srtio3衬底装入样品托上，传入脉冲激光沉积系统的主腔的样品架。调节样品架和靶台的距离为4cm，靶台转换到srruo3的靶位并打开靶台自转，将聚焦位置调节到44.2cm。随后将氧压调节至生长氧压1.5
×
10-1
mbar，打开红外激光将衬底5℃/min逐渐升温到680℃。重新设定激光器参数：激光能量200mj，频率为2hz。在以上条件下，图2显示的step flow生长模式下生长完整的一层srruo3薄膜生长激光脉冲数(pulses)为200。因此如果控制激光脉冲数p
ap
＝10pulses，即薄膜横向外延生长宽度为la＝12nm，纵向高度为一个原子层厚的srruo3薄膜。
[0039]
在上述基础上，保持主腔氧压和衬底温度不变，将靶台调节到bifeo3靶位，并重新设定激光器参数：激光能量160mj，频率为4hz，改变聚焦位置到43.5cm。在上述条件下，在srruo3薄膜上生长一层完整的bifeo3薄膜需要120pulses。因此如果控制激光脉冲数p
bp
＝6pulses，即薄膜横向外延宽度为lb＝12nm，纵向高度为一个原子层厚的bifeo3薄膜。
[0040]
如图3显示，将p
ap
+p
bp
(即la+lb)作为一个生长周期，重复上述实验操作，在横向方向重复生长10个周期，即在srtio3(100)衬底上形成单层[bifeo3/srruo3]
10
的横向超晶格，如图4所示。通过改变p
ap
和p
bp
，可以实现精准调控一个周期内srruo3和bifeo3薄膜的横向生长宽度，即可以在srtio3(100)衬底上实现单层内不同周期的srruo3/bifeo3横向超晶格。
[0041]
图8是本发明实施例中[bifeo3/srruo3]
10
on srtio3的表面形貌图。对比生长前srtio3(100)衬底的表面形貌图，可以看出生长后的横向超晶格台阶基本与生长前的衬底形貌一致，台阶平直且表面达到原子级平整。表明横向超晶格薄膜是完全的台阶外延生长。
[0042]
由于超晶格结构中单层两组材料的各个组分精确控制，使其和srtio3衬底横向外延生长，因此，得到的bifeo3和srruo3的横向超晶格材料晶体质量高，缺陷少。并且bifeo3和srruo3的界面直接暴露在表面上，为直接、原位探测界面的性质提供了强有力的手段。除此之外，该氧化物横向超晶格的生长方法可以结合纵向超晶格的生长方法，实现对材料多维度的全调控。
[0043]
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其特征在于，其采用台阶结构的单晶衬底，利用脉冲激光沉积方法在单晶衬底上沿台阶横向外延生长晶格常数接近的氧化物a和氧化物b形成单层横向超晶格；包括以下步骤：1)将台阶宽度为l的单晶衬底放入脉冲激光沉积系统生长室、氧化物靶材a和b放入脉冲激光沉积系统靶台内；2)加热衬底温度达到t
a
，调节氧压到p
a
，转动靶台到氧化物靶材a的位置，调节脉冲激光能量e
a
、频率f
a
以及聚焦位置x
a
，在衬底上沿台阶边缘横向外延生长氧化物a，生长时通过调控激光脉冲数p
a
，使得氧化物a横向外延生长的纵向高度为1个原子层，横向宽度为l
a
；3)改变衬底温度t
b
,调节氧压p
b
，转动靶台到氧化物靶材b的位置，改变脉冲激光能量e
b
，脉冲激光频率f
b
以及聚焦位置x
b
；在步骤2)得到的结构的基础上横向外延生长氧化物b，生长时通过调控激光脉冲数p
b
，使得氧化物b的外延生长的横向宽度为l
b
，纵向高度为1个原子层；4)将l
a
+l
b
作为一个周期，重复生长n个周期，达到(l
a
+l
b
)
·
n＝l，此时在第一层中实现氧化物a和氧化物b组分的精确控制，得到单层横向超晶格。2.根据权利要求1所述的利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其特征在于，台阶结构的单晶衬底的台阶高度和靶材a和靶材b的晶格常数接近。3.根据权利要求1所述的利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其特征在于，还包括步骤5)：重复步骤2)-步骤4)，在纵向方向上实现n层横向超晶格的生长，即实现氧化物a、b材料横向可调超晶格制备。4.根据权利要求1所述的利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其特征在于，通过改变步骤2)和3)中激光脉冲数，即实现不同材料在同一层的组分配比而实现横向超晶格调控。5.根据权利要求1所述的利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其特征在于，单晶衬底为单晶srtio3材料。6.根据权利要求1所述的利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法，其特征在于，氧化物靶材a和b独立的选自bifeo3或srruo3中的任一种。

技术总结
本发明公开了一种利用脉冲激光沉积技术制备复杂氧化物横向超晶格的方法。其包括：衬底筛选阶段，探索氧化物材料生长速率阶段以及主体层生长阶段；衬底要求表面平整，台阶明显，且台阶宽度适中，探索氧化物材料生长速率阶段采用氧化物材料沿台阶横向生长的Step-flow生长模式，同时调节每次生长一层的激光脉冲数确定氧化物的实际生长速率。主体层生长阶段通过调节激光脉冲数来控制材料沿台阶横向外延生长的横向宽度，改变激光脉冲数即实现不同材料在同一层的组分配比而实现横向超晶格调控。本发明的横向超晶格样品的制备方法开拓了一种新的复杂氧化物薄膜界面调控的方法，并可推及到关联体系，为全氧化物自旋电子器件的研发奠定基础。定基础。定基础。


技术研发人员：朱银燕 沈健 朱志飞 高文萍 郭杭闻 周晓东 何攀 王文彬 殷立峰
受保护的技术使用者：上海期智研究院
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/24