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Buried H monolayer at hetero-interface between highly mismatched Sr films and Si substrates

格子不整合の大きい系における埋もれた水素,重水素ヘテロ界面構造

山崎 竜也; 朝岡 秀人  ; 武田 全康  ; 山崎 大  ; 田口 富嗣; 鳥飼 直也*; 豊島 安健*; 社本 真一  

Yamazaki, Tatsuya; Asaoka, Hidehito; Takeda, Masayasu; Yamazaki, Dai; Taguchi, Tomitsugu; Torikai, Naoya*; Toyoshima, Yasutake*; Shamoto, Shinichi

われわれはSrTiO$$_{3}$$のテンプレートとなるSrやSrO薄膜とSi基板との格子不整合の緩衝域として水素,重水素単原子バッファー層を挿入し、12%もの格子不整合を克服した薄膜成長に成功した。単原子のナノレベル緩衝域の存在で、このような大きな格子不整合を克服しヘテロエピタキシー成長が成立したケースは極めて稀で、このユニークな薄膜の界面構造を解明することによって、新たな異種物質接合形態を見いだせる可能性が高い。しかしこの埋もれた界面は、通常の顕微鏡的な方法による直接的な観測が困難なため、これまで成膜後も界面に水素単原子層が残存しているか否か未だ実験的検証が十分になされておらず、水素表面への吸着原子の影響や、安定性について不明な点が多い。本研究では、埋もれた微小領域の水素界面層を実測する目的で、水素界面層を重水素に置換し中性子に対するコントラストを変化させ、解析精度を上げた中性子反射率測定を行った。また同時に多重内部反射赤外分法(MIR-FTIR)法を用いて、その場観察による基板直上の埋もれた水素・重水素界面での原子振動・結合状態の精密評価を行っている。これら複合的な手法による埋もれた界面解析の試みを紹介する。

Strontium and SrO are well-known templates on Si for SrTiO$$_{3}$$, highly-desirable transistor gate material. When stacked on Si, Srlayer becomes amorphous due to its large lattice mismatch of 12%. By introducing a monatomic hydrogen layer on Si, we succeeded in making the Sr (and subsequent SrO) layer(s) grow epitaxially with atomically abrupt interface. However, it is some what mysterious how the monatomic hydrogen layer behaves to manage this large mismatch. In order to identify its behavior, we have employed compound analysis by neutron reflectometer as well as multiple-internal-reflection fourier-transform infrared spectroscopy (MIR-FTIR) to investigate the buried heterointerface of Sr grown on Si(111)1$$times$$1: monohydride. We have found difference between the H- and D-terminated substrates in the reflectivity profiles, and changes in Si-H bonding features with the Sr growth (mainly at the initial monolayer stage) in the FTIR spectra. From these, existence of buried H layer at the heterointerfaceis confirmed with its bonding environment.

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