< Terug naar vorige pagina
Project
Electrical characterisation of metal-insulator transitions in correlated electron systems.
V2O3 (vanadium sesquioxide) wordt algemeen beschouwd als een modelsysteem voor sterk gecorreleerde elektron systemen. Bij atmosferische druk ondergaat V2O3 een metaal-isolator transitie (MIT) bij een temperatuur van150-160K van een sterk gecorreleerde rhombohedrale paramagnetische metallische fase (PM) naar een monokliene anti-ferromagnetische isolerende fase (AFI), geassocieerd met een abrupte verhoging in resistiviteit van tot 7 grootte-ordes. Het opleggen van hydrostatische druk of het doperen met Ti leidt tot een verlaging van de MIT temperatuur tussen de PM en AFI fase tot uiteindelijk de PM fase wordt gestabiliseerd op alle temperaturen tot 0K. Doperen met b.v. Cr veroorzaakt een transitie naar een rhombohedrale paramagnetische isolerende fase (PI), zonder verandering in lange-afstandsorde.
Deze dissertatie handelt over de groei eneigenschappen van dunne (< 100 nm) en ultradunne (< 10 nm) lagen van V2O3. De lagen zijn gegroeid, door middel van zuurstof-geassisteerde moleculaire bundel epitaxie, op (0001)-Al2O3 en bufferlagen die gegroeid zijn(0001)-Al2O3. De lagen zijn bestudeerd met hoge-resolutie X-stralen diffractie (XRD), reciproke-rooster mapping (RSM), X-stralen reflectiviteit(XRR), en transport- en optische eigenschappen bij cryogene temperaturen. De V2O3 fase is bevestigd d.m.v. structurele symmetrie, roosterparameters, dichtheid, transport en optische eigenschappen.
Het eerste doelwas om V2O3 af te stellen op eender welk punt op het bulk fasediagram d.m.v. temperatuur, Cr dopering, stoichiometrie en epitaxiale vervorming.Het tweede doel was het bestuderen van de invloed van de nabijheid van een oppervlak of grensvlak op de eigenschappen van V2O3 lagen.
We hebben geobserveerd dat zuurstofdeficiënte lagen en lagen onder invloed van uitrekking in het vlak, gegroeid op (0001)-Al2O3, transporteigenschappen vertonen die kwalitatief overeenkomen met deze van Cr-gedopeerd V2O3. Dit suggereert dat zuurstofdeficiëntie, uitrekking in het vlak, en dopering met Cr equivalent zijn in de context van het veralgemeende fasediagram.
Bufferlagen van Cr2O3 en (Cr1-xAlx)2O3 zijn epitaxiaal gegroeid op (0001)-Al2O3, met de intentie om deze te gebruiken als sjabloonlagen voor de groei van V2O3 met gecontroleerde vervormingstoestand. We hebben gevonden d.m.v. RSM dat V2O3 lagen die direct op(0001)-Al2O3 worden gegroeid, bijna gerelaxeerd zijn en transporteigenschappen vertonen zoals bulk als de dikte 17 nm is of groter. Ultradunne lagen van 6 en 4 nm dik vertonen een coherente component, die gecorreleerd is met een significante attenuatie van de PM-AFI MIT. Wij suggereren dat elektronische effecten, mogelijk in combinatie met clamping van delaag, hiervoor verantwoordelijk kunnen zijn. In tegenstelling hiermee vertonen dunne en ultradunne V2O3 lagen gegroeid op Cr2O3 buffers, roosterparameters vergelijkbaar met de bulk waarden en concluderen we dat de Cr2O3de V2O3 laag structureel ontkoppelt van het Al2O3 substraat. Een uitgesproken MIT kan worden geobserveerd in een V2O3 laag van slechts 3.5 nm dik gegroeid op Cr2O3, hetgeen een nieuwe ondergrens legt op de dikte waarboven een MIT kan worden geobserveerd in V2O3 lagen.
Een dode laag, waar het gewicht van de quasi-deeltjes sterk is gereduceerd in vergelijking met bulk V2O3, is in de literatuur zowel theoretisch voorspeld als experimenteel geobserveerd. Onze data wijzen erop dat de dikte van deze laag kleiner moet zijn dan 1 nm. Deze bevinding is relevantvoor de mogelijke integratie van ultradunne lagen van gecorreleerde elektron systemen in nieuwe device-concepten. Verdere optimalisatie van de groei van (Cr1-xAlx)2O3 bufferlagen is vereist vooraleer deze effectief kunnen worden gebruikt als sjabloonlaag voor de groei van V2O3.
We hebben ook (V1-xCrx)2O3 gegroeid op (0001)-Al2O3, met als doel de stabilisatie van de PI fase. Waarden voor de Cr concentratie die bepaald werden d.m.v. fits van partikel-geïnduceerde X-stralen emissie spectra komen goed overeen met de nominale waarden, hetgeen de goede controle over de concentratie bevestigt. XRD scans suggereren dat Cr het V substitueert in het rooster. De PM-PI transitie kan niet worden geobserveerd in temperatuursafhankelijke transportmetingen, hetgeen wij toeschrijven aan een combinatie van fasecoexistentie over een groot temperatuursinterval en een gereduceerde resitiviteitsverhouding tussen beide fasen in dunne lagen.
Tenslotte hebben wij V2O3/Cr2O3 superroosters met kleine modulatielengte gesynthetiseerd op (0001)-Al2O3. Karakteristieke superroosterreflecties konden worden geobserveerd in XRD en XRR scans en de modulatielengtes bepaald d.m.v. beide technieken komen goed overeen met de nominale waarden. De transporteigenschappen zijn sterk afhankelijk van de modulatielengte. Mogelijke mechanismen voor deze afhankelijkheid zijn besproken. Wij suggereren dat superroosterstructuren een vruchtbare voedingsbodem kunnen zijn voor de realisatie van grensvlakeffecten in V2O3.
Deze dissertatie handelt over de groei eneigenschappen van dunne (< 100 nm) en ultradunne (< 10 nm) lagen van V2O3. De lagen zijn gegroeid, door middel van zuurstof-geassisteerde moleculaire bundel epitaxie, op (0001)-Al2O3 en bufferlagen die gegroeid zijn(0001)-Al2O3. De lagen zijn bestudeerd met hoge-resolutie X-stralen diffractie (XRD), reciproke-rooster mapping (RSM), X-stralen reflectiviteit(XRR), en transport- en optische eigenschappen bij cryogene temperaturen. De V2O3 fase is bevestigd d.m.v. structurele symmetrie, roosterparameters, dichtheid, transport en optische eigenschappen.
Het eerste doelwas om V2O3 af te stellen op eender welk punt op het bulk fasediagram d.m.v. temperatuur, Cr dopering, stoichiometrie en epitaxiale vervorming.Het tweede doel was het bestuderen van de invloed van de nabijheid van een oppervlak of grensvlak op de eigenschappen van V2O3 lagen.
We hebben geobserveerd dat zuurstofdeficiënte lagen en lagen onder invloed van uitrekking in het vlak, gegroeid op (0001)-Al2O3, transporteigenschappen vertonen die kwalitatief overeenkomen met deze van Cr-gedopeerd V2O3. Dit suggereert dat zuurstofdeficiëntie, uitrekking in het vlak, en dopering met Cr equivalent zijn in de context van het veralgemeende fasediagram.
Bufferlagen van Cr2O3 en (Cr1-xAlx)2O3 zijn epitaxiaal gegroeid op (0001)-Al2O3, met de intentie om deze te gebruiken als sjabloonlagen voor de groei van V2O3 met gecontroleerde vervormingstoestand. We hebben gevonden d.m.v. RSM dat V2O3 lagen die direct op(0001)-Al2O3 worden gegroeid, bijna gerelaxeerd zijn en transporteigenschappen vertonen zoals bulk als de dikte 17 nm is of groter. Ultradunne lagen van 6 en 4 nm dik vertonen een coherente component, die gecorreleerd is met een significante attenuatie van de PM-AFI MIT. Wij suggereren dat elektronische effecten, mogelijk in combinatie met clamping van delaag, hiervoor verantwoordelijk kunnen zijn. In tegenstelling hiermee vertonen dunne en ultradunne V2O3 lagen gegroeid op Cr2O3 buffers, roosterparameters vergelijkbaar met de bulk waarden en concluderen we dat de Cr2O3de V2O3 laag structureel ontkoppelt van het Al2O3 substraat. Een uitgesproken MIT kan worden geobserveerd in een V2O3 laag van slechts 3.5 nm dik gegroeid op Cr2O3, hetgeen een nieuwe ondergrens legt op de dikte waarboven een MIT kan worden geobserveerd in V2O3 lagen.
Een dode laag, waar het gewicht van de quasi-deeltjes sterk is gereduceerd in vergelijking met bulk V2O3, is in de literatuur zowel theoretisch voorspeld als experimenteel geobserveerd. Onze data wijzen erop dat de dikte van deze laag kleiner moet zijn dan 1 nm. Deze bevinding is relevantvoor de mogelijke integratie van ultradunne lagen van gecorreleerde elektron systemen in nieuwe device-concepten. Verdere optimalisatie van de groei van (Cr1-xAlx)2O3 bufferlagen is vereist vooraleer deze effectief kunnen worden gebruikt als sjabloonlaag voor de groei van V2O3.
We hebben ook (V1-xCrx)2O3 gegroeid op (0001)-Al2O3, met als doel de stabilisatie van de PI fase. Waarden voor de Cr concentratie die bepaald werden d.m.v. fits van partikel-geïnduceerde X-stralen emissie spectra komen goed overeen met de nominale waarden, hetgeen de goede controle over de concentratie bevestigt. XRD scans suggereren dat Cr het V substitueert in het rooster. De PM-PI transitie kan niet worden geobserveerd in temperatuursafhankelijke transportmetingen, hetgeen wij toeschrijven aan een combinatie van fasecoexistentie over een groot temperatuursinterval en een gereduceerde resitiviteitsverhouding tussen beide fasen in dunne lagen.
Tenslotte hebben wij V2O3/Cr2O3 superroosters met kleine modulatielengte gesynthetiseerd op (0001)-Al2O3. Karakteristieke superroosterreflecties konden worden geobserveerd in XRD en XRR scans en de modulatielengtes bepaald d.m.v. beide technieken komen goed overeen met de nominale waarden. De transporteigenschappen zijn sterk afhankelijk van de modulatielengte. Mogelijke mechanismen voor deze afhankelijkheid zijn besproken. Wij suggereren dat superroosterstructuren een vruchtbare voedingsbodem kunnen zijn voor de realisatie van grensvlakeffecten in V2O3.
Datum:12 okt 2009 → 27 mrt 2014
Trefwoorden:Electron systems
Disciplines:Andere ingenieurswetenschappen en technologie
Project type:PhD project