Molecular beam epitaxy of single-crystalline bixbyite (In1−xGax)2O

材料科学 辉长岩 结晶学 分析化学(期刊) 晶格常数 结晶度 互易晶格 四方晶系 衍射 晶体结构 氧化物 光学 化学 色谱法 冶金 物理 复合材料
作者
Alexandra Papadogianni,Charlotte Wouters,Robert Schewski,Johannes Feldl,Jonas Lähnemann,Takahiro Nagata,Elias Kluth,Martin Feneberg,R. Goldhahn,M. Ramsteiner,M. Albrecht,Oliver Bierwagen
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:6 (3) 被引量:2
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.6.033604
摘要

In this work, we show the heteroepitaxial growth of single-crystalline bixbyite (In$_{1-x}$Ga$_x$)$_2$O$_3$ films on (111)-oriented yttria-stabilized zirconia substrates using plasma-assisted molecular beam epitaxy under various growth conditions. A pure In$_2$O$_3$ buffer layer between the substrate and (In$_{1-x}$Ga$_x$)$_2$O$_3$ alloy is shown to result in smoother film surfaces and significantly improved crystallinity. Symmetric out-of-plane 2$\theta - \omega$ x-ray diffraction scans show a single (111) crystal orientation and transmission electron microscopy confirms the single-crystallinity up to $x = 0.18$ and only slight film quality deterioration with increasing Ga content. Partially relaxed layers are demonstrated via reciprocal space mapping with lattice parameters fitting well to Vegard's law. However, the Ga cations are not evenly distributed within the films containing nominally $x > 0.11$: inclusions with high Ga density up to $x = 0.50$ are observed within a "matrix" with $x \approx 0.08$. The cubic bixbyite phase is preserved, in both the "matrix" and the inclusions. Moreover, for $x \geq 0.11$, both the Raman phonon lines as well as the optical absorption onset remain nearly constant. Hard x-ray photoelectron spectroscopy measurements also indicate a widening of the band gap and exhibit similar saturation of the Ga 2p core level position for high Ga contents. This saturation behavior of the spectroscopic properties further supports the limited Ga incorporation into the "matrix" of the film.
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