Growth by pulsed laser deposition and characterization of transition metal oxide thin films for potential use in novel applications

Abstract

Η τεχνολογία αιχμής χρειάζεται νέα «εξωτικά» υλικά που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην περαιτέρω σμίκρυνση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων καθώς και την αύξηση των λειτουργιών τους. Τα οξείδια μετάλλων μετάπτωσης απέκτησαν μεγάλο ενδιαφέρον στα τελευταία χρόνια, λόγω του μεγάλου φάσματος φυσικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Στην παρούσα ερευνητική εργασία, παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός τριών οξειδίων: La5Ca9Cu24O41, LiCoO2 και VO2. Το κάθε ένα από αυτά παρουσιάζει μοναδικές ιδιότητες που σχετίζονται με μία πιθανή καινοτόμα εφαρμογή στη βιομηχανία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Κρυσταλλικά – υμένια με υψηλόβαθμο προσανατολισμό και επιταξίας από τα παραπάνω υλικά παραχθήκαν με τη μέθοδο εναπόθεσης με παλμικό λέιζερ. Περαιτέρω τα υμένια μελετηθήκαν όσον αναφορά στις δομικές, μορφολογικές και φυσικές τους ιδιότητες. Στην περίπτωση του La5Ca9Cu24O41 στόχος ήταν η στοιχειομετρική μεταφορά της δομής και στη συνέχεια η μελέτη της μεταφοράς θερμότητας με μαγνητικές διεγέρσεις. Αυτός ο νέος τρόπος μεταφοράς θερμότητας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την απαγωγή θερμότητας από ενεργοβόρες συσκευές με ηλεκτρονικά κυκλώματα.. Το LiCoO2 έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το συγκεκριμένο υλικό μελετήθηκε στη παρούσα διατριβή ως πιθανό μέσο αποθήκευσης δεδομένων. Σε σύγκριση με άλλα υλικά το LiCoO2 παρουσιάζει αυξημένη χημική σταθερότητα και αναστρεψιμότητα σε επιφανειακές ηλεκτροχημικές αλλαγές. Η ανάπτυξη επιταξιακών υμενίων είναι απαραίτητη ώστε να χρησιμοποιηθεί ως μέσο αποθήκευσης δεδομένων. Το VO2 επιλέχτηκε ως το τελευταίο κομμάτι στην παρούσα εργασία. Η επιταξιακή ανάπτυξή του είναι σημαντική για τη μελέτη της μετάβασης ημιαγωγού – μετάλλου που παρατηρείται σε αυτό. Περαιτέρω αποτελεί το πρώτο βήμα για την πειραματική μελέτη ετεροδομών TiO2 / VO2, με οξεία διεπιφάνεια, για τις οποίες προβλέφθηκαν θεωρητικά κβαντικά φαινόμενα παρόμοια με αυτά που εμφανίζονται στο γραφένιο.

State of the art technology demands new “exotic” materials that can be used in miniaturized circuits but also further increase their capabilities. Transition metal oxides have attracted great interest over the last decades, due to the rich spectrum of physical properties that they exhibit. This thesis work presents a study for the growth and characterization of three different correlated oxides: La5Ca9Cu24O41, LiCoO2 and VO2. Each one of these materials has unique transport properties with a possible novel application in the IC industry. Crystalline highly oriented and epitaxial thin films of all the above oxides have been produced using the Pulsed Laser Deposition technique. Structural, morphological and transport characteristics of the produced films have been examined with respect to deposition conditions. In the case of La5Ca9Cu24O41 the goal was the stoichiometric transfer of the complex structure to thin films for exploitation of a new highly efficient magnetic mode of thermal conduction. This magnetic mode of conduction could be used for thermal management in ICs. LiCoO2 has widely been used in the past as a cathode material in lithium ion rechargeable batteries. In this study, this material was investigated for resistive switching phenomena for possible further exploitation in the IC industry. LiCoO2, compared to other materials proposed for scanning probe mediated approaches in nanoscale patterning, is highly stable as an oxide compound, exhibiting reversible electrochemical surface modifications. Growth of epitaxial LiCoO2 thin films is important for usage in data storage applications. VO2 was selected for the final part of this thesis work. Epitaxial growth of VO2 thin films is important for the investigation of the first order semiconductor – metal transition and also as a first step for the experimental investigation of TiO2 / VO2 heterostructures with sharp interface, for which theoretically predicted quantum phenomena similar to those observed in graphene have been proposed.