title: Transmission electron microscopy studies on barium stannate based heterostructures for electronic applications
Creators: name: Župančić, Martina
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::546 Anorganische Chemie
subject: BaSnO3
subject: LaInO3
subject: transmission electron microscopy
subject: perovskites
subject: interfaces
subject: surface reconstruction
subject: 2-dimensional electron gas

description: In this work, we study BaSnO3 based heterostructures with a special focus on the LaInO3/BaSnO3 interface. For that purpose, we analyze heterostructures grown by molecular beam epitaxy, pulsed laser deposition, as well as BaSnO3 single crystals. In order to provide a detailed atomic-level insight into the LaInO3/BaSnO3 system, we use transmission electron microscopy (TEM) techniques, including high-resolution TEM (HRTEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), and in-situ TEM, in combination with first-principles calculations, classical linear elasticity theory, and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In the first experimental chapter, TEM analysis reveals coherent growth of LaInO3 on BaSnO3 pseudosubstrates, characterized by domains corresponding to three distinct pseudocubic orientations of LaInO3. While conventional strain energy density calculations suggest significant differences in strain energy between (001)pc-oriented and (100)pc/(010)pc-oriented domains, density functional theory (DFT) calculations reveal similar formation energies for these orientations on BaSnO3 (001) surfaces. Unlike classical semiconductor compounds, perovskite oxides in heterostructures respond to strain through oxygen octahedral tilt and cation/anion displacements. We find that the interface and substrate symmetries significantly influence system energetics, which in turn affects domain distribution and strain accommodation. These results highlight the critical role of interfacial chemistry in epitaxial relationships within perovskite-based heterostructures. In the second experimental chapter, by combining HRTEM and DFT analyses, we find BaO-terminated surfaces on BaSnO3 (001) to be energetically favorable. In contrast, analyses using STEM-EELS, EDX, and XPS show that LaInO3/BaSnO3 interfaces form LaO/SnO2 terminations accompanied by Ba segregation towards the LaInO3 growth surface. DFT calculations further elucidate the critical role of polar discontinuity in driving this Ba segregation. These results highlight polar discontinuity compensation as a critical factor in the formation of interfaces within perovskite systems.
description: In dieser Arbeit untersuchen wir BaSnO3-basierte Heterostrukturen mit besonderem Augenmerk auf die LaInO3/BaSnO3-Grenzfläche. Zu diesem Zweck analysieren wir Heterostrukturen, die durch Molekularstrahlepitaxie und gepulste Laserdeposition abgeschieden wurden, sowie BaSnO3-Einkristalle. Um einen detaillierten Einblick in das LaInO3/BaSnO3-System auf atomarer Ebene zu erhalten, verwenden wir Techniken der Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM), einschließlich hochauflösender TEM (HRTEM), Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie (STEM), Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und In-situ-TEM, in Kombination mit der Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) und Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheoreie und der klassischen linearen Elastizitätstheorie. Im ersten experimentellen Kapitel zeigt die TEM-Analyse ein kohärentes Wachstum von LaInO3 auf BaSnO3-Pseudosubstraten, das durch Domänen gekennzeichnet ist, die drei verschiedenen pseudokubischen Orientierungen von LaInO3 entsprechen. Während herkömmliche Berechnungen auf Grundlage der lienearen Elastizitätstheorie auf signifikante Unterschiede der Verzerrungsenergiedichte zwischen (001)pc-orientierten und (100)pc/(010)pc-orientierten Domänen hindeuten, zeigen Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) ähnliche Bildungsenergien für diese Orientierungen auf BaSnO3 (001)-Oberflächen. Im Gegensatz zu klassischen Halbleiterverbindungen reagieren Perowskit-Oxide in Heterostrukturen auf Gitterverzerrung zusätzlich zur tetragonalen Verzerrung durch Sauerstoff-Oktaeder-Kippung und Kation/Anion-Verschiebungen. Wir stellen fest, dass die Grenzflächen- und Substratsymmetrien die Bildungsenergien erheblich beeinflussen, was sich wiederum auf die Domänenverteilung und die Dehnungsaufnahme auswirkt. Diese Ergebnisse unterstreichen die kritische Rolle der Grenzflächenchemie für die epitaktischen Beziehungen in Heterostrukturen auf Perowskitbasis. Im zweiten experimentellen Kapitel, das HRTEM und DFT Analysen verbindet, finden wir, dass BaO-terminierte Oberflächen auf BaSnO3 (001) Oberflächen energetisch bevorzugt sind. Im Gegensatz dazu zeigen STEM-EELS, EDX und XPS, dass die LaInO3/BaSnO3-Grenzflächen eine LaO/SnO2-Terminierung aufweist, die von Ba-Segregation in Richtung der LaInO3-Wachstumsoberfläche begleitet wird. DFT-Rechnungen zeigen hier, dass Kompensation der polaren Diskontinuität an der Grenzfläche die Ba-Segregation zur Oberfläche treibt. Diese Ergebnisse unterstreichen die Kompensation der polaren Diskontinuität als kritischen Faktor für die Grenzflächenbildung in Perowskitsystemen.