научная статья по теме ВЫРАЩИВАНИЕ НА КРИСТАЛЛАХ SRTIO3 ПЛЕНОК YBA2CU3O7 С НАКЛОНОМ К ПОВЕРХНОСТИ CUO-ПЛОСКОСТЕЙ, РАЗВЕРНУТЫХ ВОКРУГ ОСИ [110] Химия

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2013, том 58, № 3, с. 478-483

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 621.315.592

ВЫРАЩИВАНИЕ НА КРИСТАЛЛАХ SrTiO3 ПЛЕНОК YBa2Cu3O7 С НАКЛОНОМ К ПОВЕРХНОСТИ CuO-ПЛОСКОСТЕЙ, РАЗВЕРНУТЫХ ВОКРУГ ОСИ [110]

© 2013 г. Е. А. Степанцов, Ф. Ломбарди*, Д. Винклер*

Институт кристаллографии РАН, Москва, Россия E-mail: stepantsov@ns.crys.ras.ru * Технологический университет Чалмерса, Гетеборг, Швеция Поступила в редакцию 30.05.2012 г.

Лазерным импульсным осаждением на подложках из кристаллов SrTiO3 выращены пленки YBa2Cu3O7 с наклоном CuO-плоскости по отношению к поверхности. Вращение кристаллической решетки пленки при таком наклонении осуществлялось за счет поворота относительно поверхности подложки вокруг ее оси [110], ориентированной параллельно поверхности. При этом нулевой наклон CuO-плоскости реализовывался при ориентации поверхности кристалла SrTiO3 параллельно плоскости (100). Углы поворота варьировались в диапазоне от 0° до 70°. Установлено, что CuO-плоскости пленки при любых величинах углов наклона остаются параллельными одной или нескольким кристаллографическим плоскостям подложки типа (100). В диапазоне углов наклона от 0° до 49° пленка имеет монокристаллическое строение. При превышении 49° пленка трансформируется в трехдоменную текстуру, а шероховатость ее поверхности резко возрастает.

DOI: 10.7868/S0023476113030247

ВВЕДЕНИЕ

Систематическое изучение роста пленок высокотемпературного сверхпроводника УВа2Си307 с наклоном по отношению к поверхности СиО-плоскостей началось после обнаружения, что наклонение в пределах от 0° до 5° приводит к увеличению плотности критического тока, а поверхность становится более гладкой [1—3]. Последнее влияет на уменьшение поверхностного сопротивления, что крайне важно при создании пассивных микроволновых приборов криогенной электроники [4]. Позднее на основе пленки высокотемпературного сверхпроводника УВа2Си307 был создан бикристаллический джозефсоновский переход на искусственной межзеренной границе, образованной за счет симметричного разворота в противоположные стороны кристаллических решеток обеих зерен пленки вокруг их общей кристаллографической оси [100], ориентированной параллельно поверхности и плоскости границы [5—7]. Этот разворот обусловливал наклон СиО-плоскостей к поверхности пленки на угол в 12° и на 24° по отношению друг к другу. На переходах такого типа по сравнению со стандартными би-кристаллическими переходами [8—10], у которых СиО-плоскости оставались параллельными поверхности, удалось значительно повысить основные джозефсоновские характеристики (величина критического тока и характеристическое напряжение). Это позволило существенно улучшить

параметры приборов криогенной электроники, например генераторов и детекторов микроволнового радиоизлучения, изготовленных на основе данных переходов. Особенности бикристалличе-ских переходов повысили интерес к поиску путей выращивания и исследования пленок УВа2Си307 с наклоном к поверхности СиО-плоскостей на углы, превышающие 12°. Цель поиска — определить области углов наклона, при которых пленки вырастают эпитаксиально. Также представляется актуальным показать, до какой максимальной степени можно разворачивать эти плоскости по отношению друг к другу при формировании искусственной межзеренной границы для бикристал-лических джозефсоновских переходов. В связи с этим важно изучить, как величины этих предельных углов, а также структурные и морфологические особенности пленок зависят от кристаллографической ориентации оси, вокруг которой проводится поворот кристаллической решетки. В этом состоят основные задачи предпринятого исследования. В настоящей работе изучение данных вопросов проводится для случая, при котором кристаллическая решетка пленки поворачивается вокруг оси [110], параллельной поверхности.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

Подложки изготавливались из выращенных по методу Вернейля монокристаллов 8гТЮ3, харак-

ВЫРАЩИВАНИЕ НА КРИСТАЛЛАХ SrTiü3 ПЛЕНОК YBa2Cu3O7

теризуемых кубической симметрией. Проводились рентгеновское ориентирование кристаллов, резка и стандартная химико-механическая полировка. В результате была получена партия подложек, у которых одна из кристаллографических плоскостей типа (100) наклонена к поверхности на угол из диапазона от 0° до 70° с шагом в 5°. Вращение кристаллической решетки осуществлялось вокруг оси [110], ориентированной параллельно поверхности. Пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7 выращивались на подложках методом лазерного импульсного осаждения [11] с использованием ультрафиолетового излучения частотой 10 Гц с длиной волны 248 нм KrF эксимерного лазера для облучения вращающейся мишени стехиометрического состава YBa2Cu3O7. При облучении в окрестности поверхности мишени образовывался плазменный факел. У его вершины размещалась подложка, приклеенная серебряной пастой к резистивному нагревателю. Температура подложки поддерживалась на уровне 780°С. Процесс проходил в атмосфере кислорода при давлении 0.7 мБар. Осаждение материала YBa2Cu3O7 осуществлялось на поверхность подложки из плазменного факела со скоростью 0.05 нм за один импульс. Охлаждение по окончании осаждения шло со скоростью 10°С в минуту при атмосферном давлении кислорода. На всех образцах пленка высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7 выращивалась толщиной 200 нм. Морфология поверхности исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа (марки Solver фирмы Park Scientific Instrument) в прерывистом контактном режиме.

Структура выращенных пленок изучалась на четырехкружном 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 рентгенодифрак-ционного исследования. Первая представляла собой 9-29-сканирование, но при различных углах наклона у (рис. 1), плоскости падения и отражения рентгеновских лучей по отношению нормали к поверхности пленок.

Согласно второму методу, представлявшему собой трехмерное ф-сканирование (рис. 1), рентгеновская трубка и детектор выставлялись в брэг-говское положение по отношению к обозначенной штриховкой кристаллографической плоскости (006) пленки или (100) подложки. Нормаль к поверхности пленки (O—O4) наклонялась на некоторый угол у по отношению к плоскости падающего (O—O1) и отраженного (O—O2) рентгеновских лучей поворотом вокруг линии пересечения этой плоскости с поверхностью образца. Подложка также поворачивалась на угол ф вокруг норма-

479

Рис. 1. Схема рентгенодифракционного ф-сканиро-вания подложки и пленки при изменении угла наклона у плоскости падения и отражения рентгеновских лучей по отношению нормали к поверхности.

ли к ее поверхности (0—04). За начало отсчета угла ф принималось кристаллографическое направление подложки типа (110), параллельное ее поверхности.

При трехмерном ф-сканировании угол ф изменялся в пределах от 0° до 360° с шагом 20 мин, а угол у варьировался от 0°, при котором ось О4 была параллельна плоскости падающего и отраженного рентгеновских лучей, до 70° с шагом в 15 мин. ф-Сканирование при более высоких значениях углов у не проводилось по причине аппаратурных ограничений. Результаты измерений по трехмерному ф-сканированию представлялись в виде семейства кривых в трехмерных координатах, в которых по вертикальной оси откладывались данные по интенсивности отражений, а в горизонтальной плоскости в радиальных координатах — углы ф и у. При этом по радиусу откладывались величины угла у, а поворот от направления (110) подложки соответствовал углу ф. Чтобы не загромождать графическую картину, кривые ф-скани-рования, не содержащие пиков рентгеновского отражения, на графике не отмечались.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2а представлен трехмерный график ф-сканирования, снятого от подложки SrTЮ3 ориентации (334). Сканирование проводилось по кристаллографическим плоскостям типа {100}. Для этого рентгеновская трубка и детектор по отношению к образцу были выставлены в брэггов-ское положение, соответствующее данной плоскости, и в процессе измерения не менялись. В подложке кристаллографической ориентации (334) одна из трех кристаллографических плоскостей типа {100}, а именно (100), должна быть наклонена к поверхности на угол 46.7°, а кристаллическая решетка повернута на этот же угол вокруг

I, имп./с 1500 1000 500 ,

(а)

(в)

50

Рис. 2. Трехмерный график ф-сканирования по кристаллографическим плоскостям типа (100), снятый от подложки 8гТЮз ориентации (334) (а); кристаллографической плоскости (006), снятый от пленки высокотемпературного сверхпроводника УВа2СизОу ориентации (114) (б); кристаллографическим плоскостям соответственно типа (100) подложки и (006) пленки, совмещенные в параллельной азимутальной кристаллографической ориентировке (в). Кривая, соответствующая пленке, изображена черным цветом, а кривые, относящиеся к подложке, серым.

оси типа <110), параллельной поверхности, из положения, при котором подложка имела бы ориентировку по плоскости куба. Две другие плоскости из данного семейства, (010) и (001), перпендикулярны первой и по отношению друг к другу. Поэтому они наклонены к поверхности на 59° и симметрично смещены по азимуту на 124.4° в противоположные стороны от первой плоскости. Из рисунка видно, что семейство кривых содержит только три пика. Их углы у равны соответственно 46.7°, 59° и 59°, а по ф данные пики развернуты по отношению к нулевому направлению <110) соответственно на 90.0°, —34.4° и —145.6°. Это согласуется с угловым положением всех трех плоскостей типа (100) кубического кристалла 8гТЮ3 на грани (334). Характерно, что интенсивность пи-

I, имп./с

30 г

25

20

15

10

-о

и

о

и

16 24 32 40

48 56 64 29,град

Рис. 3. Кривая рентгеновского 0—20-сканирования, снятая при фиксированном угле наклона у плоскости подающего и отраженного рентгеновских лучей и равном 46.7° к поверхности пленки УВа2С^О7 ориентации (114).

ков существенно различается и большее значение соответствует плоскости, наклоненной к поверхности н

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.