Strukturuntersuchungen an elektronischen Schichten David Rafaja Institut für Metallkunde TU Bergakademie Freiberg

Themen SrTiO3 – ferroelektrische gesinterte Keramik BaxSr1-xTiO3 – MOCVD ferroelektrische Schichten auf Al2O3 Substraten SrTiO3/BaTiO3 – ferroelektrische Multilagenschichten auf Al2O3 Substraten ZnO:Al – Halbleiterschichten auf Al2O3 Substraten

Perowskit-Struktur von SrTiO3 und BaTiO3 SrTiO3: kubisch, Pm3m, a = 3.9059 Å SrTiO2.6: tetragonal, P4/mmm, a = 3.917 Å, c = 3.889 Å PbTiO3: tetragonal, P4mm, a = 3.904 Å, c = 4.152 Å BaTiO3: tetragonal, P4mm, a = 3.9945 Å, c = 4.0335 Å

Beugungsgeometrien für Dünnschicht-analysen mittels Röntgenbeugung Symmetrische Beugungsgeometrie (XRR, XRD) Beugung unter streifendem Einfall (GAXRD) qz qx qy qz qy qx

Beugungsgeometrien für Dünnschicht-analysen mittels Röntgenbeugung qz qx qy Vierkreisdiffraktometer    2

Eindringtiefe der Röntgenstrahlung beim streifendem Einfall (GAXRD) SrTiO3

SrTiO3 – Polykristalline „Keramik“ Bestimmung des spannungsfreien Gitterparameters und der Eigenspannung Beugungsbild

SrTiO3 – Polykristalline „Keramik“ SrTiO3: kubisch, Pm3m, a = 3.9059 Å SrTiO2.6: tetragonal, P4/mmm, a = 3.917 Å, c = 3.889 Å; Mittelwert a = 3.903 Å Bei der Oberfläche nimmt der eigenspannungsfreie Gitterparameter ab  „Unterstöchiometrie“ im Sauerstoffgehalt nimmt die Druckspannung zu  Konsequenz der Abnahme des Gitterparameters und der Wechselwirkung zwischen benachbarten Kristalliten

SrTiO3 – Polykristalline „Keramik“ Ausbildung einer Druckspannung bei der Oberfläche Abnahme des spannungsfreien Gitterparameters Zunahme der Eigenspannung

SrTiO3 Keramik bei tiefen Temperaturen Tieftemperaturmessung: Sprungartige Änderung des Gitterparameters bei T < 90K Anstieg der Linienbreite bei T < 90K (tetragonale Gitterverzerrung, Phasenübergang)

(injection metal-organic CVD) Heteroepitaxie: SrTiO3 auf Saphir (Al2O3) MOCVD (injection metal-organic CVD) bei 800°C, 5 Torr SrTiO3, Ba0.1Sr0.9TiO3, BaTiO3 Nach der Beschichtung wurden die Schichten 30 min im Sauerstoff nachgeglüht  Ausgleich des Sauerstoffgehaltes Al2O3, (001)-orientiert BaxSr1-xTiO3

Eine starke Vorzugsorientierung (111) der Ba1-xSrxTiO3 Schichten Symmetrische Röntgenbeugung Textur (111) in (Ba,Sr)TiO3 || (001) in Al2O3 Kleine Kippung der Vorzugsrichtung von der Oberflächennormale

Zugängliche Netzebenen (im Reflexionsmodus) (111) Al2O3 SrTiO3 (001) (211) (111) (006) (108) Beugungswinkel (211): 57.3 Winkel zwischen (111) und (211): 19.5 Beugungswinkel (108): 61.3 Winkel zwischen (006) und (108): 21.5

Reciprocal space mapping SrTiO3 auf Saphir Al2O3 (018) SrTiO3 (211) n Beugungsebene a qi qo Sample

SrTiO3 auf Al2O3 Atomare Anordnung im direkten Raum Q-Scan O in SrTiO3 Ti O in Al2O3 Al Zwei Kristallitgruppen – gedreht um 60°

BaxSr1-xTiO3 auf Al2O3 SrTiO3 Ba0.1Sr0.9TiO3 BaTiO3 Linienverbreiterung im q-Scan  Defektstruktur  Gitterfehlanpassung (Abhängigkeit von der Zusammensetzung)

Atomic Force Microscopy BaxSr1-xTiO3 auf Al2O3 Atomic Force Microscopy Pyramidale Kristallite mit zwei unterschiedlichen lateralen Orientierungen 111 111 _ 110 _ 110

Heteroepitaxie: ZnO:Al auf Saphir (Al2O3) Al2O3, (001)-orientiert Hexagonal, a = 4.7588 Å, c = 12.992 Å ZnO: 2 wt.% Al, (001)-orientiert Hexagonal, a = 3.2498 Å, c = 5.2066 Å RF Magnetron-Beschichtung (PVD, 13.56 MHz) 310 K und 900 K, 10–5 Pa (Ar) ZnO mit 2 wt.% Al Wachstumsgeschwindigkeit: 10 nm/min Halbleiter mit breitem Gap (Eg = 3.2 eV) Transparente Elektroden für Dünnschicht-Solarzellen Blaue Laser und Leuchtdioden

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K Atomare Anordnung an der Grenzfläche Al2O3/ZnO Stereographische Projektion

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K Unterschied der Gitterparameter  12.6 % Eigenspannung 1. Art und plastische Verzerrung Eigenspannung 2. Art  = -2.06  0.08 GPa

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K Unterschiedliche Gitterparameter (Substrat – Schicht)  kleine laterale Kristallitgröße 100 nm ZnO:Al Schicht auf (001) Saphir. Kleines Bild: SAED Bild (selected area electron diffraction) entlang der [0-20] Zone. Diameter des Primärstrahles ca. 150 nm.

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 900 K

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 900 K Zwei Gruppen von ZnO Kristalliten mit unterschiedlicher Ausrichtung zum Al2O3 Substrat

ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 900 K Gitterfehlanpassung (lattice mismatch) Eigenspannungen 1. Art Eigenspannungen 2. Art sind erholt

Heteroepitaxie: SrTiO3/BaTiO3 auf Saphir (Al2O3) Strukturmodell: Dicke der einzelnen Schichten Elektronendichten Rauhigkeit und Morphologie der Grenzflächen Netzebenenabstände in einzelnen Schichten Kristallinität Rauhigkeit und Morphologie der Oberfläche BaTiO3 15 x SrTiO3 BaTiO3 Al2O3, (001)-orientiert

Röntgenreflexion im Kleinwinkelbereich XRR Kante der Totalreflexion  Elektronendichte der Oberflächenschicht Abnahme der Intensität  Rauhigkeit der Probenoberfläche Kiessig-Oszillationen  Dicke der gesamten Multilagenschicht (Limit bei ca. 1500 Å), Rauhigkeit des Substrates Bragg-Peaks  Dicke einzelner Schichten in der Multilagenschicht, Elektronendichten, Grenzflächenrauhigkeiten

Röntgenbeugung im Weitwinkelbereich XRD Bragg-Peaks von einzelnen Materialien in der Multilagenschicht  Netzebenenabstände in einzelnen Schichten Satellitenreflexen  Dicke einzelner Schichten in der Multilagenschicht, Grenzflächenrauhigkeit, Grad der Kristallinität

BaTiO3/SrTiO3 (105Å/94Å)x15 Oberflächenrauhigkeit: 10.8 Å 111 (Ba,Sr)TiO3 006 Al2O3 111 (Ba,Sr)TiO3 006 Al2O3 Oberflächenrauhigkeit: 10.8 Å Elektronendichte der Oberfläche: 0.87 (SrTiO3) d = 2.275 Å Keine scharfen Grenzflächen (XRR), kein Unterschied im Netzebenenabstand (XRR)  eine starke Interdiffusion an Grenzflächen

BaTiO3/SrTiO3 (109Å/187Å)x15 Oberflächenrauhigkeit: 7.5 Å Elektronendichte der Oberfläche: 0.91 (SrTiO3) t (BaTiO3) = 122 Å; t (SrTiO3) = 193 Å  = 315 Å Keine scharfen Grenzflächen (XRR), sichtbarer Unterschied in Netzebenenabständen (XRD)  mäßige Interdiffusion

Danksagung Dr. J. Lindner, AIXTRON Aachen Dr. J. Petzelt und Dr. J. Kub, Physikalisches Institut der AdW Prag Dr. K. Ellmer, HMI Berlin