Badanie absorpcji rentgenowskiej i rezonansowej fotoemisji w cienkich warstwach SrTiO3 domieszkowanych żelazem

Jerzy M. Kubacki 1Dariusz Kajewski 1Marcin Wojtyniak 1Jacek Szade 1Annemarie Köhl 2Christian Lenser 2Regina Dittmann 2Rainer Waser 2Karina Schulte 3

1. University of Silesia, August Chełkowski Institute of Physics, Department of Solid State Physics, Uniwersytecka 4, Katowice 40-007, Poland
2. Research Centre Jülich, Institute of Solid State Research (IFF), Jülich, Germany
3. Lund University, MAX-Lab, Lund 221 00, Sweden

Abstract

Proces przełączania rezystywnego materiałów tlenkowych o strukturze perowskitu jest ostatnio intensywnie badany z uwagi na możliwość zastosowania tych materiałów w  przyszłościowych pamięciach RRAM (Resistivity Random Access Memory) o pojemności rzędu 1 Tb. Tytanian strontu jest modelowym materiałem o strukturze perowskitu, w którym transport ładunku podczas przełączania rezystywnego jest realizowany poprzez zmianę walencyjności tytanu1. Efekt przełączania rezystywnego został również stwierdzony dla cienkich warstw SrTiO3, w tym domieszkowanych żelazem2-4.

Metody spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i rezonansowej fotoemisji (RESPE) zostały zastosowane do zbadania stanów elektronowych cienkich warstw SrTiO3 z dwuprocentową domieszką atomami żelaza. Cienkie warstwy STO:2%Fe zostały wytworzone metodą PLD (Pulsed Laser Deposition) na monokrystalicznym podłożu SrTiO3 z 0.5% domieszką niobu. Dla badanych próbek otrzymano widmo absorpcyjne dla krawędzi absorpcji L2,3 tytanu (rysunek 1), L3 żelaza, K tlenu oraz mapy intensywności fotoelektronów w zakresie pasma walencyjnego dla energii fotonów w pobliżu rezonansów (rysunek 2).

Rys._1_1.jpg

Rysunek 1. Widmo absorpcyjne XAS dla krawędzi L2,3 tytanu otrzymane dla cienkiej warstwy SrTiO3 domieszkowanej 2% żelaza.

Rys._2_1.jpg

Rysunek 2. Mapa zmian intensywności natężenia fotoelektronów w zakresie energii fotonów dla rezonansu Ti2p – 4d.

Wykonano analizę pasma walencyjnego, zwłaszcza w obszarze przerwy energetycznej, gdzie są usytuowane stany elektronowe odpowiedzialne za dobrze przewodzące filamenty. W tym rejonie energii wiązania stwierdzono występowanie niewielkiego natężenia rezonansowej fotoemisji dla krawędzi tytanu i znaczne wzmocnienie stanów pochodzących z żelaza. Pozwoli to na określenie charakteru przewodnictwa elektrycznego związanego z przełączaniem rezystywnym, w kontekście wykonywanych obliczeń struktury elektronowej.

Oprócz rezonansowego wzmocnienia natężenia fotoemisji dla stanów 3d tytanu w zakresie energii wiązania 4-8 eV, zaobserwowano także wzmocnienie stanów tytanu dla energii wiązania 10 – 16 eV. Otrzymane wyniki pozwolą zbadać naturę tych stanów, które do tej pory nie były znane.

Dla warstwy STO:2%Fe stwierdzono występowanie niewielkich różnic w fotoemisji  z obszaru przerwy energetycznej po spolaryzowaniu jej przy pomocy ruchomej elektrody  o napięciu +10V. Eksperyment miał na celu poznanie natury efektu. tzw. elektroformowania, niezbędnego do uzyskania stabilnego przełączania rezystywnego.

Przeprowadzone badania były finansowane przez NCBiR, projekt  NCBiR/ERA-NET-MATERA/3/2009.

Literatura

[1] K. Szot, W. Speier, G. Bihlmayer, R. Waser, Switching the electrical resistance of individual dislocations in single-crystalline SrTiO3, Nature Materials 5, 312 (2006)

[2] K. Szot, R. Dittmann, W. Speier, R. Waser, Nanoscale resistive switching in SrTiO3 thin films, Physica Status Solidi –Rapid Research Letters 1, R86 (2007).

[3] D. Kajewski, R. Wrzalik, M. Wojtyniak, M. Pilch, J. Szade, K. Szot, Ch. Lenser, R. Dittmann, R. Waser, Local conductivity of epitaxial Fe-doped SrTiO3 thin films, Phase Transitions 84, 483 (2011)

[4] J. Szade, K. Szot, M. Kulpa, J. Kubacki, Ch. Lenser, R. Dittmann, R. Waser, , Electronic structure of epitaxial Fe-doped SrTiO3 thin films, Phase Transitions 84,  489 (2011)

 

 

Related papers
  1. Functional materials for resistive switching memories
  2. Spectroscopic characterization of high-quality polycrystalline Bi-Te films grown by thermal evaporation
  3. Optimisation of electrochemical sulphur treatment of GaSb and related semiconductors: application to surface passivation of GaSb/In(Al)GaAsSb TPV cells
  4. Valence instability of europium in EuCo2Si2

Presentation: Oral at IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego, by Jerzy M. Kubacki
See On-line Journal of IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego

Submitted: 2011-06-16 15:40
Revised:   2011-09-13 18:37