| Data: |
2023 |
| Resum: |
Els òxids complexes epitaxials presenten una àmplia gamma de propietats funcionals desitjables per a futures aplicacions en electrònica i energia. No obstant, aquestes capes epitaxials estan unides covalentment a substrats monocristal·lins limitant les possibles aplicacions. El recent desenvolupament de tècniques que permeten separar les capes epitaxials del substrat de creixement ha introduït una nova forma de produir membranes que brinden una oportunitat sense precedents per explorar nous enfocaments d'heterointegració i ampliar les eines per manipular els seus paràmetres funcionals. L'ús de la fase hidrosoluble Sr3Al2O6 (SAO) com a capa de sacrifici ha demostrat ser una estratègia prometedora per aconseguir aquesta separació. Tot i així, aquesta capa de sacrifici podria tenir una aplicabilitat més amplia si es trobessin mètodes de síntesi versàtils i econòmics que proporcionessin condicions de deposició menys estrictes, permetent així preparar una major varietat de composicions. Aquesta tesi explora la idea pionera d'introduir tècniques de deposició química com a ruta de baix cost, sostenible i potencialment escalable per preparar òxids complexes epitaxials sense suport mitjançant la capa de sacrifici SAO. Per abordar aquest ambiciós objectiu, aquest estudi es centra en el procés de síntesi prioritzant l'ús de la deposició química en solució (CSD) i la deposició de capes atòmiques (ALD). S'han identificat els reptes més importants en cada pas del procés, des del desenvolupament de la capa SAO fins a l'obtenció de membranes d'òxids epitaxials. S'ha posat particular èmfasi en la preparació de membranes de CoFe2O4 (CFO), La0. 7Sr0. 3MnO3 (LSMO) i BiFeO3 (BFO). En primer lloc, s'ha desenvolupat un procés CSD per preparar SAO epitaxial per ser utilitzat com a capa de sacrifici. No obstant, l'exposició ambiental de la capa dóna lloc a una superfície amorfa que dificulta la possibilitat de fer-hi créixer un òxid epitaxial a sobre. En aquest sentit, s'ha posat èmfasi en superar la inestabilitat del SAO i ampliar-ne l'aplicabilitat obrint la possibilitat a tècniques de deposició ex-situ. Per tractar-ho s'ha combinat l'enginyeria de cations en SAO i un post-processat en buit. La substitució de Ca en Sr3-xCaxAl2O6, (SCxAO) demostra ser una eina eficaç per ajustar el paràmetre de cel·la de la capa de sacrifici així com la seva cristal·linitat, reactivitat amb l'aigua i l'estabilitat ambiental, mentre que el post-processat en buit permet revertir els danys causats en la capa per l'exposició ambiental. A continuació, s'ha explorat la viabilitat del SAO-CSD per obtenir membranes d'òxids epitaxials. S'ha constatat que l'ALD permet obtenir membranes de CFO i BFO, la qualitat cristal·lina de les quals ve dictada pel SCxAO subjacent. D'altra banda, el dipòsit de BFO-CSD directe sobre SAO posa en risc l'estabilitat del sistema. Com a alternativa, s'explora un enfocament híbrid en què es combina LSMO preparat per deposició per làser polsat (PLD) sobre SCxAO-CSD amb l'objectiu de millorar la qualitat de la membrana. La substitució de Ca en la capa de sacrifici mostra ser crítica pel posterior creixement de LSMO, afectant paràmetres com la cristal·linitat, tensió, reactivitat d'interfase i propietats elèctriques. Després de la dissolució de SCxAO, s'aconsegueix membranes epitaxials de LSMO amb comportament metàl·lic. Finalment, s'ha volgut preparar una multicapa d'òxids en un dispositiu funcional que integri el component fotoferroelèctric BFO. Primer s'ha optimitzat el creixement dels diferents components òxids (ZnO, Al-ZnO i BFO) per mètodes químics i després s'ha combinat amb membranes LSMO per obtenir una membrana multicapa amb comportament ferroelèctric i fotoresposta. En conjunt, aquesta tesi presenta una plataforma sense precedents per ampliar la biblioteca d'òxids a partir d'una capa de sacrifici SCxAO més robusta i en unes condicions menys restrictives, obrint així la porta als mètodes químics per ser integrats en el prometedor món de les membranes d'òxids epitaxials. |
| Resum: |
Los óxidos complejos epitaxiales presentan una amplia gama de propiedades funcionales deseables para futuras aplicaciones en electrónica y energía. Sin embargo, estas capas epitaxiales están unidas covalentemente a sustratos monocristalinos limitando las posibles aplicaciones. El desarrollo reciente de técnicas que permiten separar las capas epitaxiales del sustrato de crecimiento ha introducido una nueva forma de producir membranas que brindan una oportunidad sin precedentes para explorar nuevos enfoques de heterointegración y manipular sus parámetros funcionales. El uso de la fase hidrosoluble Sr3Al2O6 (SAO) como capa de sacrificio ha demostrado ser una estrategia prometedora para obtener esta separación. No obstante, esta capa de sacrificio podría tener mayor aplicabilidad si se encontraran métodos de síntesis versátiles y económicos que proporcionaran condiciones de deposición menos estrictas, permitiendo así preparar una mayor variedad de composiciones. Esta tesis explora la idea pionera de introducir técnicas de deposición química como ruta de bajo coste, sostenible y potencialmente escalable para preparar óxidos complejos epitaxiales sin soporte mediante la capa de sacrificio SAO. Para abordar este ambicioso objetivo, este estudio se centra en el proceso de síntesis priorizando el uso de la deposición química en solución (CSD) y la deposición de capas atómicas (ALD). Se han identificado los retos más importantes en cada paso del proceso, desde el desarrollo de la capa SAO hasta la obtención de membranas de óxidos epitaxiales. Se ha hecho particular énfasis en la preparación de membranas de CoFe2O4 (CFO), La0. 7Sr0. 3MnO3 (LSMO) y BiFeO3 (BFO). En primer lugar, se ha desarrollado un proceso CSD para preparar SAO epitaxial para su uso como capa de sacrificio. No obstante, la exposición ambiente de la capa da lugar a una superficie amorfa que dificulta la posibilidad de hacer crecer un óxido epitaxial encima. En este sentido, se presta particular atención a superar la inestabilidad del SAO y ampliar su aplicabilidad abriendo la posibilidad a técnicas de deposición ex-situ. La sustitución de Ca en Sr3-xCaxAl2O6, (SCxAO) demuestra ser una herramienta eficaz para ajustar el parámetro de celda de la capa de sacrificio así como su cristalinidad, reactividad con el agua y estabilidad ambiental, mientras que un post-procesado en vacío permite revertir el daño causado en la capa por la exposición ambiental. A continuación, se ha explorado la viabilidad de SAO-CSD para obtener membranas de óxidos epitaxiales. Se ha constatado que ALD permite obtener membranas de CFO y BFO cuya calidad cristalina viene dictada por el SCxAO subyacente. Por otro lado, el depósito de BFO-CSD directo sobre SAO pone en riesgo la estabilidad del sistema. Como alternativa, se explora un enfoque híbrido combinando LSMO preparado por deposición por láser pulsado (PLD) sobre SCxAO-CSD con el objetivo de mejorar la calidad de la membrana. La sustitución de Ca en la capa de sacrificio muestra ser crítica por el posterior crecimiento de LSMO, afectando parámetros del LSMO como su cristalinidad, tensión, reactividad en la interfase y propiedades eléctricas. Tras la disolución de SCxAO, se obtienen membranas epitaxiales de LSMO con comportamiento metálico. Finalmente, se ha querido preparar una multicapa de óxidos en un dispositivo funcional que integre el componente fotoferroeléctrico BFO. Primero, se ha optimizado el crecimiento de los diferentes componentes de óxido (ZnO, Al-ZnO y BFO) por métodos químicos y después se ha combinado con membranas LSMO para obtener finalmente una membrana multicapa con comportamiento ferroeléctrico y fotorespuesta. En conjunto, esta tesis presenta una plataforma sin precedentes para ampliar la biblioteca de membranas de óxidos a partir de una capa de sacrificio SCxAO más robusta y en unas condiciones menos restrictivas, facilitando así la integración de métodos químicos en el prometer mundo de las membranas de óxidos epitaxiales. |
| Resum: |
Epitaxial complex oxide materials exhibit a vast range of functional properties desirable for next-generation electronic and energy applications. However, because the epitaxial layers are covalently bonded to monocrystalline substrates, only limited applications were explored. The recent development of lift-off techniques has introduced a new way to produce freestanding membranes providing an unprecedented opportunity to explore novel heterointegration approaches and expands the toolkit for engineering their functional parameters. The use of Sr3Al2O6 (SAO) as water-soluble sacrificial layer has demonstrated to be a promising lift-off strategy with high versatility. Nonetheless, this sacrificial layer could have wider applicability by finding low-budget and versatile synthesis approaches that could deliver less strict deposition conditions allowing to prepare more freestanding oxide compositions. This thesis explores the pioneering idea of introducing chemical deposition techniques as cost-effective, sustainable and potentially scalable route to prepare freestanding epitaxial complex oxides by means of a SAO sacrificial layer. In order to tackle such an ambitious goal, this study focus on the synthesis process prioritizing the use of chemical solution deposition (CSD) and atomic layer deposition (ALD). The key challenges at each step of the process are identified from the development of the SAO sacrificial and the heterostructure materials compatibility to the release of freestanding epitaxial oxides. Special emphasis has been placed on the preparation of CoFe2O4 (CFO), La0. 7Sr0. 3MnO3 (LSMO) and BiFeO3 (BFO) membranes. First, CSD process is developed to prepare SAO for its use as sacrificial layer and two different chemical formulations are evaluated in order to obtain epitaxial SAO films. Nevertheless, ambient exposure of the sacrificial layer results on an amorphous capping layer that hinders the possibility to grow an epitaxial oxide on top. In this regard, special focus goes to overcome the SAO instability and broader its applicability opening the possibility to ex-situ growth deposition techniques. To tackle this issue, it has been combined cation engineering in SAO together with an in-vacuum post-annealing process. Ca-substitution in Sr3-xCaxAl2O6, (SCxAO) is found to be an effective tool to tune the sacrificial layer lattice parameter, crystallinity, reactivity with water and ambient stability, while the vacuum post-annealing on the sacrificial allows to reverse the damage caused by ambient exposure. Then, the viability to use SAO-CSD to obtain epitaxial oxide membranes is explored. It is found that ALD allows to obtain CFO and BFO membranes whose crystalline quality is dictated by the quality of the SCxAO underneath. On the other hand, the direct deposit of BFO-CSD on SAO has shown to put the stability of the system at risk. As an alternative path, it is explored an hybrid approach in which it is combined LSMO prepared by pulsed laser deposition (PLD) on vacuum annealed SCxAO-CSD sacrificial layer aiming to improve the membrane quality . The Ca-substitution in the sacrificial shows to be critical to the subsequent LSMO growth effecting parameters such as LSMO crystallinity, strain, interface reactivity and electrical properties. Upon SCxAO etching, it is achieved the release of epitaxial LSMO membranes with metallic behaviour at room temperature. Finally, it is aimed to prepare a multilayered oxide functional device integrating the photoferroelectric BFO component. To pursue this goal, first it has been optimized the growth of the different oxide components (ZnO, Al-ZnO and BFO) by chemical methods and then it has been combined with LSMO membranes to ultimately deliver a freestanding all-oxide device showing ferroelectric behaviour and photoresponse. Overall, this Thesis presents an unprecedented platform to widen the library of oxide membranes from SCxAO sacrificial layer working in less restrictive conditions and opening the the door to chemical methods to be merged in the promising world of freestanding epitaxial oxides. |
| Nota: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Drets: |
L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons:  |
| Llengua: |
Anglès |
| Col·lecció: |
Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Capa de sacrifici ;
Capa de sacrificio ;
Sacrificial layer ;
Mètodes químics ;
Métodos químicos ;
Chemical methods ;
Òxids epitaxials ;
Óxidos epitaxiales ;
Epitaxial oxides ;
Ciències Experimentals |
visitant ::
identificació
