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)

 

 

Legal notice
  • Legal notice:

    Copyright (c) Pielaszek Research, all rights reserved.
    The above materials, including auxiliary resources, are subject to Publisher's copyright and the Author(s) intellectual rights. Without limiting Author(s) rights under respective Copyright Transfer Agreement, no part of the above documents may be reproduced without the express written permission of Pielaszek Research, the Publisher. Express permission from the Author(s) is required to use the above materials for academic purposes, such as lectures or scientific presentations.
    In every case, proper references including Author(s) name(s) and URL of this webpage: http://science24.com/paper/24595 must be provided.

 

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