Mechanische Spannungen von BaTiO3 und SrTiO3 Atomlagen auf Metalleinkristallen

Abstract

Diese Arbeit stellt kombinierte Spannungsmessungen und Strukturuntersuchungen an BaTiO3- und SrTiO3-Atomlagen auf Fe, Pd und Pt Einkristalloberflächen verschiedener Orientierung vor. Unser optischer 2-Strahl-Biegemessaufbau, basierend auf der direkten Krümmungsmessung, liefert erstmalig quantitative Spannungswerte mit Sub-Monolagen-Genauigkeit während des Wachstums von Oxidfilmen. Dabei erfolgte die Herstellung der BaTiO3- und SrTiO3-Filme mit gepulster Laserdeposition (PLD). Es ist uns gelungen, die hohe Empfindlichkeit der Spannungsmessung mit den für Oxidfilme typischen, aber für UHV-Anwendungen hinsichtlich thermischer Drift und Oxidation des Probenhalters anspruchsvollen, Herstellungsparametern wie hoher Temperatur (700 ◦C) und hohem Sauerstoffhintergrunddruck von bis zu 1×10−4 mbar zu kombinieren. Unsere Messungen zeigen den großen Einfluss der substratinduzierten epitaktischen Dehnung auf die Morphologie und die Spannungen der BaTiO3- und SrTiO3-Filme. Auf (001)-Oberflächen finden wir weitestgehend quantitative Übereinstimmung zwischen experimentellen und anhand linearer Elastizitätstheorie berechneten Spannungen. Filmwachstum und Spannungen auf (111)-Substratoberflächen zeigen ein weitaus komplexeres Verhalten. Es wird auch der Einfluss der Temperatur auf Gitterfehlpassung und Elastizität sowie der Einfluss der auf den Herstellungsprozess beruhenden PLD-spezifischen Parameter diskutiert. Diese Arbeit trägt zu einem tieferen Verständnis des Spannungsverhaltens in komplexen Oxidfilmen bei und liefert erste quantitative Daten als Vergleichsgröße für zukünftige theoretische Untersuchungen.

This thesis presents combined stress and structural studies of BaTiO3 and SrTiO3 monolayers on Fe, Pd and Pt single crystal surfaces of different orientations. With our optical 2-beam bending measurement, based on the direct measurement of the curvature, we have measured for the first time stress with sub-monolayer sensitivity during growth of oxide BaTiO3 and SrTiO3 films. These films were grown by pulsed laser deposition (PLD). A high substrate temperature (700 ◦C) and a substantial oxygen partial pressure (1×10−4 mbar) during film growth are necessary for a good epitaxial film structure, but challenging for stress measurements in view of thermal drift and oxidation of the sample holder. Our results identify the important influence of substrate-induced epitaxial strain on morphology and stress of BaTiO3 and SrTiO3 films. Growth on (001)-substrate surfaces show in many cases quantitative agreement between experimental obtained values and calculated stress based on linear elasticity theory, whereas film growth and stress behaviour on (111)-surfaces seems to be very complex. The influence of temperature on lattice misfit and elastic properties as well as PLD-specific parameters are discussed in view of their impact on film stress. This work contributes to the understanding of stress in complex oxide films and gives first quantitative data which may serve as reference for future theoretical investigations.