Influence of the growth conditions on the optical properties of SrTiO3
Creators: name: Kok, Dirk Johannes
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Year: 2017
Subjects: subject: optische Eigenschaften
subject: Kristallzüchtung
subject: SrTiO3
subject: Hochtemperatureigenschaften
subject: optical properties
subject: crystal growth
subject: high temperature properties
subject: 540 Chemie
subject: 30 Chemie
subject: UQ 2400

description: Strontiumtitanat (SrTiO3) ist ein wichtiges Substratmaterial für die Epitaxie und essenziel für fast alle bekannten oxidbasierten zweidimensionalen Elektronengassysteme. Diese Systeme haben viele mögliche Anwendungen, sind aber anfällig für Versetzungen im Substrat, weswegen das volle Potential mit den kommerziell verfügbaren Kristallen nicht erreicht werden kann. Um die Qualität zu erhöhen, müssen bessere Züchtungsmethoden gefunden werden wozu Verständnis der temperaturabhängigen Materialeigenschaften unerlässlich ist. Für viele Oxide können sehr gute Kristalle mit der Czochralski Methode hergestellt werden. Diese Methode erfordert einen guten Wärmetransport durch den wachsenden Kristall. Ein sehr niedriger Wärmetransport führt zu instabilem Wachstum und manchmal zu Spiralbildung. Weil SrTiO3 einen hohen Schmelzpunkt von ca. 2350 K hat, dominiert der Strahlungswärmetransport. IR-Spektren bei hoher Temperatur zeigen eine starke Absorption an freien Ladungsträgern. UV/VIS-Spektren zeigen, dass die Bandlücke stark temperaturabhängig ist, was zu einer hohen Dichte an freien Ladungsträgern führt. Da die IR-Absorption stark mit der Temperatur zunimmt, bietet Kristallzüchtung bei niedrigeren Temperaturen mehr Kontrolle. Dies kann mit der „top-seeded solution growth“-Methode (TSSG) erreicht werden. Viele der gezüchteten Kristalle zeigen starke Verfärbungen. Die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Züchtungsatmosphäre wurde systematisch untersucht. Eine Atmosphäre mit sehr geringer Sauerstoffkonzentration führt zu einer schwarz-blauen Verfärbung und leitfähigen Kristallen, während zu viel Sauerstoff zu einer Braunen Farbe führt. Mit dem richtigen Sauerstoffgehalt ist es möglich farblose Kristalle zu züchten. Die braune Verfärbung in nahezu stoichiometrischen TSSG-Kristallen konnte auf Nanometer große Hohlräume in den Kristallen zurückgeführt werden die das Licht streuen. Diese Nanohohlräume entstehen wahrscheinlich durch die Kombination von Punktdefekten.
description: Strontium titanate (SrTiO3) is an important epitaxy substrate material which is an essential component in almost all oxide based two-dimensional free electron gas systems. These systems offer many potential applications, but are very sensitive to dislocations in the substrate and their full potential cannot be reached with the commercially available material. To improve crystal quality, alternative growth methods are necessary and to find these, knowledge about the temperature dependent material properties is crucial. For many oxides, high-quality crystals can be produced by using the Czochralski method. For this method, a sufficiently high heat transport through the growing crystal is highly important. Very low heat transport will lead to unstable growth, often resulting in spiraling. Because SrTiO3 has a very high melting point of about 2350 K, radiative heat transport dominates. High temperature IR-spectra show that free charge carriers cause the low radiative heat transport. Temperature dependent UV/VIS spectra show that the band gap shifts strongly with temperature, causing the high free carrier concentration. Since the IR absorption depends heavily on the temperature, growth at lower temperatures is easier to control. This is possible using top seeded solution growth (TSSG). Many of the crystals produced by the growth methods investigated here show strong colorations. The dependence of the color on the growth atmosphere was investigated. Atmospheres with a low oxygen concentration led to blue/black conducting crystals and a high oxygen concentration led to brownish crystals. With the correct oxygen concentration, colorless crystals can be grown. The brown coloration in nearly stoichiometric TSSG crystals was found to be due to light scattering at nanometer sized voids in the crystals. These nano-voids are probably formed by the combination of vacancies.