Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 12 (Декабрь 2020), c. 1377-1385    ( к оглавлению , назад )

Intrinsic nanostructures on the (001) surface of strontium titanate at low temperatures

V. O. Hamalii1, A. V. Peschanskii1, А. І. Popov2, and N. V. Krainyukova1

1B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine
E-mail: krainyukova@ilt.kharkov.ua

2Institute of Solid State Physics, University of Latvia, Riga LV-1063, Latvia

Received August 19, 2020, published online October 21, 2020

Abstract

Atomically smooth (001) surfaces of SrTiO3 cut from the high-quality single crystals at two different miscut angles 0.9 and 7.0 deg between the real flat surfaces and crystallographic planes (001) were analyzed by means of the reflection high energy electron diffraction (RHEED) method from the room down to liquid helium temperatures. The diffraction patterns typical of the RHEED geometry close to ideal for a small miscut angle and those exhibiting distinct features of the specific periodicity associated with regular steps, which form due to the larger miscut angle, are presented. The surface symmetry and energetics were shown to impose differences in lattice parameters in parallel to a surface with respect to the bulk. This effect results in weak incommensurability between lattice parameters in surface layers and the bulk values relaxed due to step edges and misfit dislocations. The special surface nanostructures formed on the etched surfaces treated in chemically active solvents are also analyzed. The intrinsic nanostructures on single crystal surfaces open new prospects for applications when the ordered and controlled nanoscale architecture is required.

Анотація

Атомно-гладкі (001) поверхні SrTiO3, які вирізані з високоякісних монокристалів під двома різними кутами зрізу 0,9 та 7,0 град між реальними плоскими поверхнями та кристалографічними площинами (001), проаналізовано за допомогою методу високоенергетичної електронної дифракції на відбиття (RHEED) від кімнатної до температури рідкого гелію. Представлені дифрактограми, які характерні для геометрії RHEED, близької до ідеальної, для невеликого кута зрізу, а також такі, що демонструють чіткі прояви специфічної періодичності, яка пов’язана з регулярними ступенями, що утворюються завдяки більшому куту зрізу. Показано, що симетрія поверхні та енергетика накладають відмінності параметрів решітки паралельно поверхні відносно об’єму. Цей ефект призводить до слабкої неспіврозмірності між параметрами решітки у поверхневих шарах та об’ємними значеннями, яка релаксує завдяки краям ступенів та дислокаціям невідповідності. Аналізуються також спеціальні поверхневі наноструктури, що утворюються на травлених поверхнях, які оброблені хімічно активними розчинниками. Власні наноструктури на монокристалічних поверхнях відкривають нові перспективи для застосувань, коли потрібна впорядкована та керована архітектура нанорозмірних формувань.

Key words: strontium titanate, surface nanostructures, surface incommensurability, reflection high-energy electron diffraction, Raman spectroscopy.