Molecular design of metal oxide superlattice as electronics materials

Abstract

Among metal oxide crystals, SrTiO3(001) has been regarded as a lattice-matched substrate suitable for the epitaxial growth of high T(sub c) superconducting films, and the detailed understanding of the interface structure of SrO/SrTiO3(001) and BaO/SrTiO3(001) is essential to fabricate the atomically controlled Josephson tunnel junction. At the SrTiO3(001) top layer, either SrO or TiO2 atomic plane is able to become surface termination. In this study, MD (Molecular Dynamics) technique was applied to investigate the atomic structure of the SrO/SrTiO3(001) and BaO/SrTiO3(001) hetero-interface as well as the effect of surface termination of the SrTiO3(001) substrate on the above interface structure. Firstly, atomic structure of SrO layers grown on SrTiO3(001) substrate terminated by TiO2 atomic plane. The results showed that only a single SrO layer which keep a complete NaCl-type structure is able to grow epitaxially and uniformly on the substrate. Secondly, since BaO layer is one component of YBa2Cu3O(7-x), the stress induced by the lattice mismatch of the BaO/SrTiO3(001) and BaO/SrO/SrTiO3(001) hetero-junction was evaluated. Consequently BaO/SrTiO3(001) gained 1.2 GPa stress, while the BaO/SrO/SrTiO3(001) did not have any stress. Moreover, BaO layer was found to grow epitaxially and uniformly on the SrO/SrTiO3(001), suggesting that BaO/SrO is suitable buffer layer for YBa2Cu3O(7-x)/SrTiO3(001) hetero-junction, as YBa2Cu3O(7-x) is expected to grow epitaxially on the BaO layer.

金属酸化物結晶の中でも、SrTiO3(001)は高温超伝導膜のエピタキシャル成長に適した格子整合基板と見なされてきており、SrO/SrTiO3(001)とBaO/SrTiO3(001)の界面構造をよく理解することは原子規模に制御されたジョセフソントンネル接合を作る上で重要である。SrTiO3(001)の最上層においては、SrOまたはTiO2原子面のどちらかが表面末端となり得る。そこで、本研究では、SrO/SrTiO3(001)とBaO/SrTiO3(001)ヘテロ界面の原子構造およびSrTiO3(001)基板表面となる末端原子面が上記界面構造に及ぼす影響を調べるために、MD(分子動力学)法を適用した。始めにTiO2原子面を末端とするSrTiO3(001)基板上のSrO層の原子構造を調べた。その結果、基板上に、SrOの単一層のみが完全なNaCl型構造を保ち、エピタキシー的かつ均一に成長可能であることが判った。次にBaO層がYBa2Cu3O(7-x)構造の一成分であることから、BaO/SrTiO3(001)とBaO/SrO/SrTiO3(001)の格子不整合誘起応力を評価した。結果として、BaO/SrTiO3(001)には1.2GPaの応力が発生したが、BaO/SrO/SrTiO3(001)には如何なる応力も出現しなかった。さらに、BaO層はSrO/SrTiO3(001)にエピタキシー的かつ均一に成長することが判った。このことは、YBa2Cu3O(7-x)がBaO層上でエピタキシャル成長すると考えられるため、BaO/SrOがYBa2Cu3O(7-x)/SrTiO3(001)ヘテロ接合に適切な緩衝層であることを示唆している。