Unfolding the challenges to prepare epitaxial complex oxide membranes by chemical methods

Resum

Els òxids complexes epitaxials presenten una àmplia gamma de propietats funcionals desitjables per a futures aplicacions en electrònica i energia. No obstant, aquestes capes epitaxials estan unides covalentment a substrats monocristal·lins limitant les possibles aplicacions. El recent desenvolupament de tècniques que permeten separar les capes epitaxials del substrat de creixement ha introduït una nova forma de produir membranes que brinden una oportunitat sense precedents per explorar nous enfocaments d’heterointegració i ampliar les eines per manipular els seus paràmetres funcionals. L’ús de la fase hidrosoluble Sr3Al2O6 (SAO) com a capa de sacrifici ha demostrat ser una estratègia prometedora per aconseguir aquesta separació. Tot i així, aquesta capa de sacrifici podria tenir una aplicabilitat més amplia si es trobessin mètodes de síntesi versàtils i econòmics que proporcionessin condicions de deposició menys estrictes, permetent així preparar una major varietat de composicions._x000D_ _x000D_ Aquesta tesi explora la idea pionera d’introduir tècniques de deposició química com a ruta de baix cost, sostenible i potencialment escalable per preparar òxids complexes epitaxials sense suport mitjançant la capa de sacrifici SAO. Per abordar aquest ambiciós objectiu, aquest estudi es centra en el procés de síntesi prioritzant l’ús de la deposició química en solució (CSD) i la deposició de capes atòmiques (ALD). S’han identificat els reptes més importants en cada pas del procés, des del desenvolupament de la capa SAO fins a l’obtenció de membranes d’òxids epitaxials. S’ha posat particular èmfasi en la preparació de membranes de CoFe2O4 (CFO), La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) i BiFeO3 (BFO)._x000D_ _x000D_ En primer lloc, s’ha desenvolupat un procés CSD per preparar SAO epitaxial per ser utilitzat com a capa de sacrifici. No obstant, l’exposició ambiental de la capa dóna lloc a una superfície amorfa que dificulta la possibilitat de fer-hi créixer un òxid epitaxial a sobre. En aquest sentit, s’ha posat èmfasi en superar la inestabilitat del SAO i ampliar-ne l’aplicabilitat obrint la possibilitat a tècniques de deposició ex-situ. Per tractar-ho s’ha combinat l’enginyeria de cations en SAO i un post-processat en buit. La substitució de Ca en Sr3-xCaxAl2O6, (SCxAO) demostra ser una eina eficaç per ajustar el paràmetre de cel·la de la capa de sacrifici així com la seva cristal·linitat, reactivitat amb l’aigua i l’estabilitat ambiental, mentre que el post-processat en buit permet revertir els danys causats en la capa per l’exposició ambiental. _x000D_ _x000D_ A continuació, s’ha explorat la viabilitat del SAO-CSD per obtenir membranes d’òxids epitaxials. S’ha constatat que l’ALD permet obtenir membranes de CFO i BFO, la qualitat cristal·lina de les quals ve dictada pel SCxAO subjacent. D’altra banda, el dipòsit de BFO-CSD directe sobre SAO posa en risc l’estabilitat del sistema._x000D_ _x000D_ Com a alternativa, s’explora un enfocament híbrid en què es combina LSMO preparat per deposició per làser polsat (PLD) sobre SCxAO-CSD amb l’objectiu de millorar la qualitat de la membrana. La substitució de Ca en la capa de sacrifici mostra ser crítica pel posterior creixement de LSMO, afectant paràmetres com la cristal·linitat, tensió, reactivitat d’interfase i propietats elèctriques. Després de la dissolució de SCxAO, s’aconsegueix membranes epitaxials de LSMO amb comportament metàl·lic. _x000D_ _x000D_ Finalment, s’ha volgut preparar una multicapa d’òxids en un dispositiu funcional que integri el component fotoferroelèctric BFO. Primer s’ha optimitzat el creixement dels diferents components òxids (ZnO, Al-ZnO i BFO) per mètodes químics i després s’ha combinat amb membranes LSMO per obtenir una membrana multicapa amb comportament ferroelèctric i fotoresposta._x000D_ _x000D_ En conjunt, aquesta tesi presenta una plataforma sense precedents per ampliar la biblioteca d’òxids a partir d’una capa de sacrifici SCxAO més robusta i en unes condicions menys restrictives, obrint així la porta als mètodes químics per ser integrats en el prometedor món de les membranes d’òxids epitaxials.

Data del Ajut	25 d’abr. 2023
Idioma original	Anglès
Supervisor	Mariona Coll Bau (Director/a)