Development of High-Quality BaBiO3 Thin Films via Molecular Beam Epitaxy: Growth Mechanism, Structural Integration, and Functional Properties

Promovendus/a: Islam Ahmed

Promotor(en): Prof. dr. ir. Clement Merckling, Prof. dr. Stefan De Gendt

Complexe oxiden bieden een bijzonder veelzijdig platform voor het bestuderen van verschillende materiaaleigenschappen die inzetbaar zijn in diverse technologieën. Perovskietoxiden met de chemische formule ABO3 zijn waardevol vanwege hun opmerkelijke elektronische, structurele en optische eigenschappen. BaBiO3 is een voorbeeld van een perovskietoxide dat recentelijk meer wetenschappelijke aandacht heeft gekregen. Volgens berekeningen gebaseerd op dichtheidsfunctionaaltheorie wordt verwacht dat n-type BaBi(O1-xFx)3 een topologische isolator is. Samen met zijn p-type supergeleidende tegenhanger (Ba1-xKxBiO3) wordt een conceptueel apparaat geformuleerd op basis van het nabijheidseffect, waarbij topologische supergeleiding kan worden geïnduceerd aan het grensvlak tussen de twee materialen. De topologische supergeleidende toestanden vormen een vaste-stofomgeving voor Majorana gebonden toestanden, die benut kunnen worden voor het realiseren van fouttolerante kwantumberekeningen. Er worden inspanningen geleverd om deze exotische Majorana-toestanden experimenteel te detecteren op basis van contacten tussen verschillende supergeleidende en topologisch isolerende materialen. BaBiO3 wordt in dit opzicht als voordelig beschouwd, omdat het beide toestanden kan bieden op basis van hetzelfde moedermateriaal. Dit is de reden waarom het belangrijk is om dit materiaal in zijn zuivere vorm te bestuderen, om het later te kunnen inzetten in toepassingen gebaseerd op gelegeerde structuren.

Het verkrijgen van epitaxiale dunne lagen van hoge kwaliteit van BaBiO3 met gecontroleerde samenstelling stuit op verschillende uitdagingen. Deze omvatten het bereiken van de juiste stoichiometrische verhoudingen van Ba en Bi, het verzekeren van volledige oxidatie van de kationen, en het beheersen van de vorming van zuurstofvacatures. Een bijkomende uitdaging is het ontwikkelen van interfaces met hoge kristallijne kwaliteit tussen het materiaal en het substraat, en het beheersen van de kristaloriëntatie. Als toekomstperspectief moet ook de mogelijkheid tot het legeren van de structuur gemakkelijk realiseerbaar zijn. Om deze redenen wordt moleculaire bundelepitaxie gekozen als groeitechniek, dankzij de mogelijkheid tot co-depositie en de capaciteit om dunne lagen van hoge kwaliteit te ontwikkelen.

In deze thesis wordt de epitaxiale groei van BaBiO3 op verschillende substraten zoals SrTiO3-gebufferd Si(001), SrTiO3(001), en MgO(001) grondig bestudeerd. Een gedetailleerde materiaalkarakterisatie wordt gepresenteerd op basis van verschillende technieken zoals röntgendiffractie, röntgenfoto-elektronspectroscopie, Rutherford-terugstrooingsspectroscopie, Ramanspectroscopie, spectroscopische ellipsometrie, en transmissie-elektronenmicroscopie. Kationstoichiometrie wordt bereikt met behulp van zuurstofplasma door het bereiken van het adsorptiegecontroleerde regime, wat de realisatie van een zelfregulerend groeivenster mogelijk maakt. Het optreden van geordende zuurstofvacatures wordt onderzocht, en een op moleculaire bundelepitaxie gebaseerde methode om deze te reduceren door BaBiO3-δ om te zetten naar BaBiO3 wordt vastgesteld. Co-groei van BaBiO3(001) en BaBiO3(011) wordt waargenomen, en er worden strategieën beschreven om de BaBiO3(011)-oriëntatie te elimineren.

Bovendien worden de optische eigenschappen en de elektronische structuur van de verschillende dunne lagen geëvalueerd. Lagen met een dikte van 4 nm of meer vertonen dubbele oxidatietoestanden op de Bi-posities, een ademende fononmodus, en een optische bandgap van ongeveer 2 eV. Anderzijds vertoont een dunne laag van 3 nm geen aanwijzingen van deze eigenschappen, wat wijst op een mogelijke isolator-metaalovergang in het ultradunne filmregime. Voor toekomstige overwegingen worden in deze thesis eerste experimentele resultaten gepresenteerd die aantonen dat fluor kan worden ingebouwd in BaBiO3 en BaBiO3-δ.