2次元構造秩序の自己組織化に着目した濃厚環境下の強誘電体薄膜成長メカニズム

聚焦二维结构有序自组织的集中环境下铁电薄膜生长机制

• 批准号: 22H01763
• 负责人: 木口 賢紀
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Kumamoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01763/
• 关键词: 強誘電体; 濃厚環境; 導電性; 格子ミスマッチ; 局所配位構造; 薄膜; 界面構造; 2次元構造秩序; 核生成・成長; STEM-EELS; 化学溶液堆積法; 核生成; 二次元成長

(1)薄膜状態でMPB組成域のPbZr0.3Ti0.7O3となるように調整したMOD溶液を、TiO2終端STO(001)基板上にスピンコート、溶媒を乾燥し、凝集した薄膜を作製した。残留有機官能基が2次元構造秩序の核生成・成長に及ぼす影響を調べるため、結晶化前の局所構造を解析し、結晶化温度以下で熱分解することで前駆体薄膜を作製した。熱分解ののち結晶化温度以上で熱処理し、結晶化薄膜を作製した。前駆体薄膜XRD法及び薄膜断面の制限視野電子回折図形の測定から、前駆体薄膜は非晶質、結晶化薄膜はSrTiO3(001)基板上にCube-on-cubeの方位関係でエピタキシャル成長していた。(2)これらの薄膜について、STEM-EELS法により近傍のC-K吸収端近傍の内殻励起スペクトルの測定・解析を行い、非晶質前駆体薄膜には強いC-K吸収端が測定され多量の非晶質カーボンの存在が認められたが、結晶化膜にはC-K吸収端は認められなかったことから、このカーボンは測定中のコンタミネーションではなく前駆体薄膜中に残存した残留カーボンであることを示している。(3)熱分解後の前駆状態薄膜組織をHAADF-STEM観察したところ、膜厚約30 nmの多孔質非晶質膜であったが、結晶化温度以下にもかかわらず基板表面には整合的にPb原子1層と考えられるコヒーレントな2次元界面層が存在した。この結果より、結晶化温度未満の温度であっても原料有機金属錯体が熱分解する温度であれば、濃厚環境下において格子ミスマッチ5%以内の単結晶基板表面に整合的に核生成し、2次元構造秩序を形成したと推察される。(4)熱分解を行わずに結晶化温度以上で熱処理した薄膜では強い配向性を示さなかったことから、薄膜基板界面における残留炭素の存在が、基板表面の2次元構造秩序を引き継いだ結晶成長を妨げ、エピタキシャル成長を阻害することが示された。

(1)The state of the film is adjusted to the composition of PbZr0.3Ti0.7O3 in MOD solution, TiO2 terminal, STO(001) substrate, solvent drying, and aggregation. The residual organic functional groups affect the formation and growth of nuclei in the two-dimensional structure order, and the structure analysis before crystallization, and the thermal decomposition below the crystallization temperature. Thermal decomposition and crystallization temperature above the heat treatment, crystallization of thin films XRD method of precursor films and measurement of electron reflection profile of thin film cross-section in limited field of view. The orientation relationship of Cube-on-cube on SrTiO3 (001) substrate in precursor films is different from amorphous and crystallized films. (2)For example, the STEM-EELS method is used to determine the excitation of the inner shell near the C-K absorption end. The amorphous precursor thin film is used to determine the strong C-K absorption end. The existence of a large amount of amorphous film is recognized. The crystallization film is used to determine the C-K absorption end. This is the first time that a film has been produced in a precursor film. (3)A porous amorphous film with a film thickness of about 30 nm was observed by HAADF-STEM after thermal decomposition. A layer of Pb atoms was integrated on the surface of the substrate below the crystallization temperature. As a result, the crystallization temperature is not high, and the temperature of thermal decomposition of the organic metal complex of the raw material is low. The nucleation and formation of the two-dimensional structural order of the crystal substrate surface are predicted under the dense environment. (4)Thermal decomposition occurs at crystallization temperatures or above, and heat treatment results in strong alignment of the thin film, presence of residual carbon at the interface of the thin film substrate, formation of a two-dimensional structural order on the substrate surface, and inhibition of crystal growth.