КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2013, том 58, № 5, с. 721-724
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 621.315.592
ВЫРАЩИВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЛЕНОК ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
В СИСТЕМЕ FeSe0.92-FeSe0.5Te0.5
© 2013 г. Е. А. Степанцов, С. М. Казаков*, В. В. Беликов*, И. П. Макарова, Р. Арпайя**,
Р. Гуннарссон**, Ф. Ломбарди**
Институт кристаллографии РАН, Москва, Россия E-mail: stepantsov@ns.crys.ras.ru * Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия ** Технологический университет Чалмерса, Гетеборг, Швеция Поступила в редакцию 25.07.2012 г.
На поверхности кристаллов LaAlO3 ориентации (1012) лазерным импульсным осаждением выращены пленки сверхпроводников халькогенидов железа FeSe0.92 и FeSe05Te05, а также твердых растворов, состоящих из данных компонентов в различных пропорциях. Пленки растворов получены лазерной абляцией одновременно от двух мишеней стехиометрического состава соответственно FeSe0 92 и FeSe0 5Te0 5 на одну и ту же подложку. Рентгенодифракционное исследование структуры пленок показало, что они эпитаксиальны, а параметры их кристаллических решеток закономерно варьируются в зависимости от изменения количественного соотношения осаждаемых компонентов, которое осуществлялось относительным смещением интенсивности абляции от каждой мишени.
DOI: 10.7868/S0023476113050159
ВВЕДЕНИЕ
Рост исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости обусловлен обнаружением нового класса высокотемпературных сверхпроводников, отличительной особенностью которых является наличие ферромагнитного железа в химической формуле [1—13]. Это свидетельствует о реализации нового механизма сверхпроводимости спин-волновой природы, что позволяет рассчитывать на успех в поиске ранее неизвестных проявлений сверхпроводимости. Однако сдерживающим фактором для развития исследований в данном направлении является то, что подавляющее большинство материалов этого класса содержит такие высокотоксичные элементы, как мышьяк и фосфор, что значительно ограничивает перспективы практического применения данных сверхпроводников. В последнее время обнаружены железосодержащие сверхпроводники без таких компонентов [9—13]. Это халькогениды железа, т.е. соединения железа с теллуром, селеном и серой. Использование данных материалов для разработки устройств электроники обусловливает потребность их получения в виде тонких пленок. В [11—13] продемонстрированы первые успешные попытки их выращивания, однако количество таких материалов очень невелико. Это указывает на ограниченность набора сверхпроводниковых характеристик и делает актуальными получение и изучение эпи-таксиальных пленок на основе упорядоченных
твердых растворов халькогенидов железа. В настоящей работе проведены исследования по выращиванию эпитаксиальных пленок таких материалов путем лазерного импульсного осаждения одновременно от двух мишеней разного химического состава, а именно Ре8е092 и Ре8е05Те05.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ
Подложки для проведения исследований изготавливались из выращенных методом Чохраль-ского монокристаллов ЬаАЮ3. При этом проводилась ориентировка кристаллов рентгеновским методом, а также их резка и стандартная химико-механическая полировка. В результате была изготовлена партия подложек размером 5 х 5 мм2 с поверхностью, параллельной кристаллографической плоскости (1012). Пленки халькогенидов железа выращивались на данных подложках методом лазерного импульсного осаждения [14] с использованием ультрафиолетового излучения эксимерного импульсного лазера частотой 2 Гц с длиной волны 248 нм КгР Облучению лазерными импульсами в одном процессе подвергались попеременно две вращающиеся вокруг своих осей мишени. Они представляли собой керамические таблетки диаметром 8 мм и толщиной 4 мм состава Ре8е092 и Ре8е05Те05. Таблетки были синтезированы в вакуумированной кварцевой ампуле из элементов, двукратный отжиг которых проводился при 700° С в течение 24 ч с промежуточным пе-
722
СТЕПАНЦОВ и др.
ретиранием и прессованием. Держатель мишеней в автоматическом режиме менял их положение таким образом, чтобы в положении, при котором проводилось облучение лазерными импульсами, находилась то одна мишень, то другая. При этом обеспечивалась возможность для каждого процесса выращивания пленки заранее устанавливать количество импульсов, проводимых по каждой мишени в течение одного периода. По окончании каждого периода данная формула облучения мишеней повторялась. Количество периодов также программировалось заранее, но так, чтобы суммарное количество импульсов в одном процессе выращивания пленки всегда было постоянным и равным 4000. В результате облучения в окрестности поверхности мишени образовывался плазменный факел. У его вершины размещалась подложка, приклеенная серебряной пастой к рези-стивному нагревателю. Температура подложки поддерживалась на уровне 380°С. Процесс проводился в вакууме при остаточном давлении 1.0 х х 10-6 мБар. Охлаждение по окончании осаждения проводилось со скоростью 30°С в минуту в атмосфере аргона при давлении 400 мБар.
Структура выращенных пленок изучалась на че-тырехкружном рентгеновском дифрактометре (Philips X'Pert) с использованием рентгеновского излучения от трубки с медным анодом (к = = 0.154 нм) и отфильтрованным в монохроматоре 4 х Ge(220), выполненном по схеме Бартельса. Использовались две методики рентгенодифракцион-ного исследования. Первая методика представляла собой 9-29-сканирование в положении, при котором плоскость падения и отражения рентгеновских лучей была перпендикулярна поверхности пленки.
Согласно второй методике, представлявшей собой ф-сканирование, рентгеновская трубка и детектор выставлялись поочередно в брэгговское положение по отношению к кристаллографической плоскости (112) пленки и (2120) подложки. Плоскости падения и отражения рентгеновских лучей придавался наклон 45° по отношению к поверхности образцов. При этом подложка повора-
Данные величин углов 29, соответствующих порядкам отражения (001), (002) и (003), пиков рентгеновских кривых 9-29-сканирования, проведенных на пленках, выращенных лазерным импульсным осаждением от мишеней разного химического состава халькогенидов железа
Химическая формула осаждаемого материала мишени (001) (002) (003)
FeSe0.5Te0.5 15.14 30.56 46.67
FeSe05Te05 х 2—FeSe092 х 1 15.84 31.95 48.79
FeSe0 5Te0 5 х 1—FeSe0 92 х 1 15.85 32.12 48.93
FeSe0.92 16.14 32.31 49.82
чивалась вокруг нормали к ней на угол ф, изменяющийся от 0° до 360°.
В обеих методиках для повышения эффективности выявления в выращиваемых пленках включений посторонних ориентаций распыляемого материала или иных фаз рентгеновский пучок покрывал как минимум 50% поверхности исследуемых образцов, а длительность экспозиции на каждом шаге сканирования выбиралась максимальной из возможного и составляла 100 с.
На всех графиках данные по интенсивности рентгеновских отражений представлялись в логарифмических координатах с тем, чтобы сделать более выразительными слабые пики.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1а и 1б представлены результаты рентгеновского 9-29-сканирования пленок Ре8е092 и Ре8е05Те05, выращенных на подложках ЬаАЮ3
ориентации (1012) лазерным импульсным осаждением. В процессе получения пленок облучению подвергалась только одна мишень, соответственно Ре8е092 или Ре8е05Те05. На обоих графиках помимо двух пиков от подложек отчетливо видны по три пика, соответствующие трем порядкам отражения от плоскости (001) кристаллических решеток пленок. Какие-либо пики, которые свидетельствовали бы о наличии включений других ориентаций собственного материала или посторонних фаз, отсутствуют.
На рис. 1в и 1г приведены результаты рентгеновского 9-29-сканирования пленок, выращенных на подложке ЬаАЮ3 ориентации (1012) методом лазерного импульсного осаждения в результате одновременного облучения двух мишеней состава Ре8е092 и Ре8е05Те05. При этом в первом случае облучение проводилось в режиме 1 импульс от мишени Ре8е092, затем 1 импульс от мишени Ре8е05Те05 с повторением данной формулы облучения мишеней лазерными импульсами 2000 раз и общим количеством импульсов 4000. При выращивании второй пленки облучение проводилось в режиме 1 импульс от мишени Ре8е092, затем 2 импульса от мишени Ре8е05Те05 с повторением данной формулы облучения мишеней лазерными импульсами 1333 раза и таким же общим количеством импульсов, как на всех пленках, а именно 4000. На обоих графиках видно, что помимо пиков подложки они, как и кривые на рис. 1а и 1в, содержат еще по три пика, которые по величине углов 29 не на много отстоят от соответствующих пиков однокомпонентных пленок Ре8е092 и Ре8е05Те05. Для более точного сопоставления положения пиков на графиках всех пленок численные значения их углов 29 для всех порядков отражения сведены в таблицу. Из нее видно, что величины углов 29, соответствующие рентгеновским кривым двухкомпонентных пленок, при
ВЫРАЩИВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЛЕНОК
723
10
10
с
К
10
10
10
10
10
10
20
30
29,град.
40
50
10
10
20
30
29,град.
40
50
Рис. 1. Результаты рентгеновского 0-20-сканирования выращенной на подложке ЬаАЮ3 ориентации (1012 ) лазерным импульсным осаждением: а — пленки Бе8е0.92 в результате облучения мишени Бе8е0.92; б — пленки Бе8е0.5Те0.5 в результате облучения мишени Бе8е0.5Те0.5; в — пленки Бе8е0.92 х 1_Ее8е0.5Те0.5 х 1 в результате облучения в режиме 1 импульс от мишени Бе8е0.92, затем 1 импульс от мишени Бе8е0.5Те0.5 с повторением данной формулы облучения 2000 раз; г — пленки Бе8е0.92 х 1—Ре8е0.5Те0.5 х 2 в режиме 1 импульс от мишени Ре8е0.92, затем 2 импульса от мишени Бе8е0.5Те0.5 с повторением данной формулы облучения 1333 раза.
е0.5 Те0.5
сопоставлении пиков одного и того же порядка отражения занимают промежуточное положение между углами 29, относящимися к пленкам Ре8е0 92 и Ре8е05Те05. При этом с увеличением доли одного компонента в составе двухкомпонент-ной пленки величины углов 29 приближаются к значениям соответствующих углов 29 рентгеновских кривых однокомпонентной пленки этого компонента.
В результате рентгеновского ф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.