Growth of functional oxide heterostructures from chemical solutions using advanced processing methodologies
Saved in:
| Title: | Growth of functional oxide heterostructures from chemical solutions using advanced processing methodologies |
|---|---|
| Authors: | Queraltó López, Albert |
| Contributors: | University/Department: Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física |
| Thesis Advisors: | Puig i Molina, Mª Teresa, Pérez del Pino, Ángel, Granados García, Xavier |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Autònoma de Barcelona, 2015. |
| Publication Year: | 2015 |
| Physical Description: | 305 p. |
| Original Identifier: | B-7422-2015 |
| Subject Terms: | Dipòsit de solucions químiques, Chemical solution deposition, Òxids funcionals, Functional oxides, Ciències Experimentals |
| Time: | 538.9 |
| Description: | En aquesta tesi doctoral, hem explorat innovadores tècniques de processat basades en el dipòsit de solucions químiques per tal de produir heteroestructures d’òxids, mitjançant processos d’autoassemblatge i autoorganització. Essencialment, s’ha dut a terme una profunda investigació dels mecanismes termodinàmics i cinètics involucrats en la nucleació i cristal·lització de diferents heteroestructures d’òxids (nanoilles i capes primes) amb materials com CeO2, LaNiO3, Ba0.8Sr0.2TiO3 i La0.7Sr0.3MnO3 sobre substrats monocristal·lins (Y2O3:ZrO2, LaAlO3, SrTiO3) i tecnològics com silici o cintes metàl·liques recoberts amb capes d’òxids. Tractaments tèrmics usant rampes d’escalfament ràpides (∼20 ºC/s) han permès separar la nucleació del creixement. En primer lloc, hem reportat que es possible aconseguir cristal·litzar, fins i tot epitaxialment, a baixes temperatures (<500 ºC). També hem determinat el paper que juguen diferents paràmetres de processat (temperatura, rampa d’escalfament i atmosfera), i el tipus i orientació del substrat en les velocitats de nucleació i creixement, com també en la morfologia final del sistema. Anàlisis termodinàmics indiquen que la tensió creada entre capa i substrat té una contribució important en la nucleació i creixement. A més, s’ha pogut veure que la situació de tensió del sistema està altament influenciada per les diferències en l’expansió tèrmica soferta entre capa i substrat. També hem demostrat que el creixement dels grans segueix un comportament auto-limitat està en gran mesura influenciat per un procés de difusió atòmica activat tèrmicament. Curiosament, la transformació des de material policristal·lí a epitaxial segueix el mateix comportament, i està impulsat per una reducció en les frontes de gra policristal·lines. Les velocitats de creixement del procés (0.01-0.1 nm/s) depenen en gran mesura de com ràpid el material epitaxial creix respecte el policristal·lí. En aquest sentit, hem pogut calcular que els coeficients de difusió atòmica epitaxials són un ordre de magnitud més grans que els policristal·lins, 10-19 i 10-20 m2/s respectivament. S’ha determinat que el gruix de la capa pot influenciar negativament en la velocitat de creixement epitaxial, dificultant la obtenció de capes epitaxials a gruixos grans. En la mateixa línea, hem implementat i utilizat una metodologia innovadora com és la irradiació làser en condicions atmosfèriques per al creixement d’heteroestructures d’òxids, com a alternativa als tractaments tèrmics. La influència dels mecanismes tèrmics fotoinduïts s’ha avaluat mitjançant simulacions numèriques, usant els paràmetres òptics i termofísics dels diferents materials. Així doncs, hem demostrat la capacitat d’assolir la descomposició de capes metal·lorgàniques precursores, en particular propionats de Ce-Zr, amb temps de processat significativament inferiors i amb resultats equivalents als tractaments tèrmics convencionals. El disseny de patrons micromètrics ha estat possible gràcies al confinament espacial del feix làser. Altrament, també s’ha aconseguit la cristal·lització epitaxial de capes d’òxids sobre substrats monocristal·lins i tecnològics després d’una optimització en les condicions experimentals (fluència, nombre de polsos, temperatura del substrat, etc). S’ha observat que aquest creixement epitaxial és significativament més ràpid comparat amb els tractaments tèrmics (poques mil·lèsimes de segon comparat amb desenes de minuts). La raó d’aquest creixement tant ràpid s’ha atribuït principalment a les temperatures més elevades assolides amb els tractaments làser que tenen una influència rellevant en la difusió atòmica. Tanmateix, hem proposat que altres fenòmens com els grans gradients tèrmics dins les capes (1010 ºC/m), com també efectes fotoquímics derivats del trencament directe dels enllaços químics pels fotons làser poden tenir també una contribució important. Finalment, hem vist que les propietats funcionals de les capes crescudes amb làser són bastant similars a aquelles obtingudes amb tractaments tèrmics. Les diferents metodologies de creixement combinades amb tècniques de caracterització avançades (microscòpies de força atòmica i electròniques, difracció de raig X, espectroscòpies infraroja-visible-ultravioleta, el·lipsometria) han permès aquest detallat estudi i una millor comprensió dels mecanismes de nucleació i creixement de heteroestructures d’òxids a partir del dipòsit de solucions químiques. Les metodologies i anàlisis desenvolupats han estat fonamentals per al desenvolupament d’aquesta tesi i el seu ús pot ésser traslladat a altres sistemes. |
| Description (Translated): | In this thesis, we have explored innovative processing methodologies based on the deposition of chemical solutions to produce oxide heterostructures through self-assembling and self-organization processes. Essentially, we performed an in-depth investigation of the thermodynamic and kinetic mechanisms involved in nucleation and crystallization of different oxide heterostructures (nanoislands and thin-films) involving doped-CeO2, LaNiO3, Ba0.8Sr0.2TiO3 and La0.7Sr0.3MnO3 on single crystals (Y2O3:ZrO2 (YSZ), LaAlO3, SrTiO3) and technical substrates like silicon wafers or oxide-buffered stainless steel metallic tapes. Rapid Thermal Annealing (RTA) furnaces were successfully employed to separate nucleation and coarsening through the use of very fast heating ramps (∼20 ºC/s). First of all, we reported that crystallization and even epitaxial growth can be achieved at very low temperatures (<500 ºC). We also determined the role of the different processing parameters (temperature, heating ramp and atmosphere), substrate type and orientation on nucleation and growth rates of nanoislands and films, and the final morphology. Thermodynamic analyses indicated that strain has an important contribution in nucleation, as well as the final morphology of the system. The strain state of the different heterostructures was found to strongly depend on thermal expansion coefficients of film and substrate. We also demonstrated that grain coarsening follows a self-limited behavior, and it is highly influenced by a thermally-activated atomic diffusion. Interestingly, we also determined that the transformation from random to epitaxially-oriented material follows the same growth behavior, and it is driven by the reduction of polycrystalline grain boundaries. The growth rate of the process (0.01-0.1 nm/s) highly depends on how fast the epitaxial material grows as compared to the coarsening of polycrystalline grains. We calculated that the epitaxial atomic diffusion coefficients are one order of magnitude larger than polycrystalline coefficients, 10-19 and 10-20 m2/s, respectively. Additionally, we determined that the epitaxial growth rate depends on precursor layer thickness, and this might be a drawback for reaching high epitaxial thick films. A very new strategy such as Pulsed Laser Annealing at atmospheric conditions has been implemented and employed as an alternative to thermal treatments for the growth of oxide heterostructures. The influence of photo-induced thermal mechanisms has been evaluated through numerical simulations, employing optical and thermo-physical properties of different materials. We have demonstrated the capability to achieve decomposition of CSD precursor films with shorter processing times than in thermal treatments with equivalent results, particularly for the case of Ce-Zr propionates. The spatially-confined nature of the laser beam has also permitted to design micrometric patterned structures. Epitaxial crystallization of oxide films has also been achieved on single crystal and technical substrates after optimization of experimental conditions (fluence, number of pulses, substrate temperature, etc). A significantly faster epitaxial growth compared to thermal treatments has been achieved, i.e. few milliseconds vs tens of minutes. This rapid growth is mostly caused by the higher temperatures developed by laser annealing and influencing atomic diffusion. Additionally, we proposed that other mechanisms should be considered such as temperature gradients developed inside films (1010 ºC/m), as well as photochemical effects caused by direct bond dissociation by the laser photons. The functional properties of laser-grown films have been evaluated and compared with equivalent samples produced using thermal treatments, showing quite similar results. The different growth methodologies employed combined with advanced characterization techniques (atomic force and scanning transmission electron microscopies, advanced x-ray diffraction measurements, infrared-visible-ultraviolet spectroscopies, ellipsometry) allowed me to perform the profound study undertaken and provided us with a better understanding of nucleation and growth mechanisms of oxide heterostructures from chemical solution deposition. The methodologies and analyses developed have been fundamental for the development of this thesis and their application can be made extensive to other systems. |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | English |
| ISBN: | 978-84-490-5109-8 84-490-5109-6 |
| Access URL: | http://hdl.handle.net/10803/286006 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.286006 |
| Database: | TDX |
| FullText | Text: Availability: 0 CustomLinks: – Url: http://hdl.handle.net/10803/286006# Name: EDS - TDX (s4221598) Category: fullText Text: View record in TDX |
|---|---|
| Header | DbId: edstdx DbLabel: TDX An: edstdx.10803.286006 RelevancyScore: 1307 AccessLevel: 3 PubType: Dissertation/ Thesis PubTypeId: dissertation PreciseRelevancyScore: 1307.16979980469 |
| IllustrationInfo | |
| Items | – Name: Title Label: Title Group: Ti Data: Growth of functional oxide heterostructures from chemical solutions using advanced processing methodologies – Name: Author Label: Authors Group: Au Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Queraltó+López%2C+Albert%22">Queraltó López, Albert</searchLink> – Name: Author Label: Contributors Group: Au Data: University/Department: Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física – Name: Author Label: Thesis Advisors Group: Au Data: Puig i Molina, Mª Teresa<br />Pérez del Pino, Ángel<br />Granados García, Xavier – Name: TitleSource Label: Source Group: Src Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) – Name: Publisher Label: Publisher Information Group: PubInfo Data: Universitat Autònoma de Barcelona, 2015. – Name: DatePubCY Label: Publication Year Group: Date Data: 2015 – Name: PhysDesc Label: Physical Description Group: PhysDesc Data: 305 p. – Name: AN Label: Original Identifier Group: ID Data: B-7422-2015 – Name: Subject Label: Subject Terms Group: Su Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22Dipòsit+de+solucions+químiques%22">Dipòsit de solucions químiques</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Chemical+solution+deposition%22">Chemical solution deposition</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Òxids+funcionals%22">Òxids funcionals</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Functional+oxides%22">Functional oxides</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Ciències+Experimentals%22">Ciències Experimentals</searchLink> – Name: Subject Label: Time Group: Su Data: 538.9 – Name: Abstract Label: Description Group: Ab Data: En aquesta tesi doctoral, hem explorat innovadores tècniques de processat basades en el dipòsit de solucions químiques per tal de produir heteroestructures d’òxids, mitjançant processos d’autoassemblatge i autoorganització. Essencialment, s’ha dut a terme una profunda investigació dels mecanismes termodinàmics i cinètics involucrats en la nucleació i cristal·lització de diferents heteroestructures d’òxids (nanoilles i capes primes) amb materials com CeO2, LaNiO3, Ba0.8Sr0.2TiO3 i La0.7Sr0.3MnO3 sobre substrats monocristal·lins (Y2O3:ZrO2, LaAlO3, SrTiO3) i tecnològics com silici o cintes metàl·liques recoberts amb capes d’òxids. Tractaments tèrmics usant rampes d’escalfament ràpides (∼20 ºC/s) han permès separar la nucleació del creixement. En primer lloc, hem reportat que es possible aconseguir cristal·litzar, fins i tot epitaxialment, a baixes temperatures (<500 ºC). També hem determinat el paper que juguen diferents paràmetres de processat (temperatura, rampa d’escalfament i atmosfera), i el tipus i orientació del substrat en les velocitats de nucleació i creixement, com també en la morfologia final del sistema. Anàlisis termodinàmics indiquen que la tensió creada entre capa i substrat té una contribució important en la nucleació i creixement. A més, s’ha pogut veure que la situació de tensió del sistema està altament influenciada per les diferències en l’expansió tèrmica soferta entre capa i substrat. També hem demostrat que el creixement dels grans segueix un comportament auto-limitat està en gran mesura influenciat per un procés de difusió atòmica activat tèrmicament. Curiosament, la transformació des de material policristal·lí a epitaxial segueix el mateix comportament, i està impulsat per una reducció en les frontes de gra policristal·lines. Les velocitats de creixement del procés (0.01-0.1 nm/s) depenen en gran mesura de com ràpid el material epitaxial creix respecte el policristal·lí. En aquest sentit, hem pogut calcular que els coeficients de difusió atòmica epitaxials són un ordre de magnitud més grans que els policristal·lins, 10-19 i 10-20 m2/s respectivament. S’ha determinat que el gruix de la capa pot influenciar negativament en la velocitat de creixement epitaxial, dificultant la obtenció de capes epitaxials a gruixos grans. En la mateixa línea, hem implementat i utilizat una metodologia innovadora com és la irradiació làser en condicions atmosfèriques per al creixement d’heteroestructures d’òxids, com a alternativa als tractaments tèrmics. La influència dels mecanismes tèrmics fotoinduïts s’ha avaluat mitjançant simulacions numèriques, usant els paràmetres òptics i termofísics dels diferents materials. Així doncs, hem demostrat la capacitat d’assolir la descomposició de capes metal·lorgàniques precursores, en particular propionats de Ce-Zr, amb temps de processat significativament inferiors i amb resultats equivalents als tractaments tèrmics convencionals. El disseny de patrons micromètrics ha estat possible gràcies al confinament espacial del feix làser. Altrament, també s’ha aconseguit la cristal·lització epitaxial de capes d’òxids sobre substrats monocristal·lins i tecnològics després d’una optimització en les condicions experimentals (fluència, nombre de polsos, temperatura del substrat, etc). S’ha observat que aquest creixement epitaxial és significativament més ràpid comparat amb els tractaments tèrmics (poques mil·lèsimes de segon comparat amb desenes de minuts). La raó d’aquest creixement tant ràpid s’ha atribuït principalment a les temperatures més elevades assolides amb els tractaments làser que tenen una influència rellevant en la difusió atòmica. Tanmateix, hem proposat que altres fenòmens com els grans gradients tèrmics dins les capes (1010 ºC/m), com també efectes fotoquímics derivats del trencament directe dels enllaços químics pels fotons làser poden tenir també una contribució important. Finalment, hem vist que les propietats funcionals de les capes crescudes amb làser són bastant similars a aquelles obtingudes amb tractaments tèrmics. Les diferents metodologies de creixement combinades amb tècniques de caracterització avançades (microscòpies de força atòmica i electròniques, difracció de raig X, espectroscòpies infraroja-visible-ultravioleta, el·lipsometria) han permès aquest detallat estudi i una millor comprensió dels mecanismes de nucleació i creixement de heteroestructures d’òxids a partir del dipòsit de solucions químiques. Les metodologies i anàlisis desenvolupats han estat fonamentals per al desenvolupament d’aquesta tesi i el seu ús pot ésser traslladat a altres sistemes. – Name: Abstract Label: Description (Translated) Group: Ab Data: In this thesis, we have explored innovative processing methodologies based on the deposition of chemical solutions to produce oxide heterostructures through self-assembling and self-organization processes. Essentially, we performed an in-depth investigation of the thermodynamic and kinetic mechanisms involved in nucleation and crystallization of different oxide heterostructures (nanoislands and thin-films) involving doped-CeO2, LaNiO3, Ba0.8Sr0.2TiO3 and La0.7Sr0.3MnO3 on single crystals (Y2O3:ZrO2 (YSZ), LaAlO3, SrTiO3) and technical substrates like silicon wafers or oxide-buffered stainless steel metallic tapes. Rapid Thermal Annealing (RTA) furnaces were successfully employed to separate nucleation and coarsening through the use of very fast heating ramps (∼20 ºC/s). First of all, we reported that crystallization and even epitaxial growth can be achieved at very low temperatures (<500 ºC). We also determined the role of the different processing parameters (temperature, heating ramp and atmosphere), substrate type and orientation on nucleation and growth rates of nanoislands and films, and the final morphology. Thermodynamic analyses indicated that strain has an important contribution in nucleation, as well as the final morphology of the system. The strain state of the different heterostructures was found to strongly depend on thermal expansion coefficients of film and substrate. We also demonstrated that grain coarsening follows a self-limited behavior, and it is highly influenced by a thermally-activated atomic diffusion. Interestingly, we also determined that the transformation from random to epitaxially-oriented material follows the same growth behavior, and it is driven by the reduction of polycrystalline grain boundaries. The growth rate of the process (0.01-0.1 nm/s) highly depends on how fast the epitaxial material grows as compared to the coarsening of polycrystalline grains. We calculated that the epitaxial atomic diffusion coefficients are one order of magnitude larger than polycrystalline coefficients, 10-19 and 10-20 m2/s, respectively. Additionally, we determined that the epitaxial growth rate depends on precursor layer thickness, and this might be a drawback for reaching high epitaxial thick films. A very new strategy such as Pulsed Laser Annealing at atmospheric conditions has been implemented and employed as an alternative to thermal treatments for the growth of oxide heterostructures. The influence of photo-induced thermal mechanisms has been evaluated through numerical simulations, employing optical and thermo-physical properties of different materials. We have demonstrated the capability to achieve decomposition of CSD precursor films with shorter processing times than in thermal treatments with equivalent results, particularly for the case of Ce-Zr propionates. The spatially-confined nature of the laser beam has also permitted to design micrometric patterned structures. Epitaxial crystallization of oxide films has also been achieved on single crystal and technical substrates after optimization of experimental conditions (fluence, number of pulses, substrate temperature, etc). A significantly faster epitaxial growth compared to thermal treatments has been achieved, i.e. few milliseconds vs tens of minutes. This rapid growth is mostly caused by the higher temperatures developed by laser annealing and influencing atomic diffusion. Additionally, we proposed that other mechanisms should be considered such as temperature gradients developed inside films (1010 ºC/m), as well as photochemical effects caused by direct bond dissociation by the laser photons. The functional properties of laser-grown films have been evaluated and compared with equivalent samples produced using thermal treatments, showing quite similar results. The different growth methodologies employed combined with advanced characterization techniques (atomic force and scanning transmission electron microscopies, advanced x-ray diffraction measurements, infrared-visible-ultraviolet spectroscopies, ellipsometry) allowed me to perform the profound study undertaken and provided us with a better understanding of nucleation and growth mechanisms of oxide heterostructures from chemical solution deposition. The methodologies and analyses developed have been fundamental for the development of this thesis and their application can be made extensive to other systems. – Name: TypeDocument Label: Document Type Group: TypDoc Data: Dissertation/Thesis – Name: Format Label: File Description Group: SrcInfo Data: application/pdf – Name: Language Label: Language Group: Lang Data: English – Name: ISBN Label: ISBN Group: ISBN Data: 978-84-490-5109-8<br />84-490-5109-6 – Name: URL Label: Access URL Group: URL Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="http://hdl.handle.net/10803/286006" linkWindow="_blank">http://hdl.handle.net/10803/286006</link> – Name: Copyright Label: Rights Group: Cpyrght Data: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/ – Name: AN Label: Accession Number Group: ID Data: edstdx.10803.286006 |
| PLink | https://erproxy.cvtisr.sk/sfx/access?url=https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.286006 |
| RecordInfo | BibRecord: BibEntity: Languages: – Text: English PhysicalDescription: Pagination: PageCount: 305 Subjects: – SubjectFull: Dipòsit de solucions químiques Type: general – SubjectFull: Chemical solution deposition Type: general – SubjectFull: Òxids funcionals Type: general – SubjectFull: Functional oxides Type: general – SubjectFull: Ciències Experimentals Type: general Titles: – TitleFull: Growth of functional oxide heterostructures from chemical solutions using advanced processing methodologies Type: main BibRelationships: HasContributorRelationships: – PersonEntity: Name: NameFull: Queraltó López, Albert IsPartOfRelationships: – BibEntity: Dates: – D: 16 M: 02 Type: published Y: 2015 Identifiers: – Type: isbn-print Value: 9788449051098 – Type: isbn-print Value: 8449051096 |
| ResultId | 1 |