Self-assembled strain-induced oxide nanostructures grown by chemical solutions

Resumen

En aquest treball hem investigat una metodologia d'aproximació baix-cap dalt i baix cost per la generació de nanoestructures oxides interficials autoassemblades preparades mitjançant la deposició de soluciones químiques. La innovació del treball rau en l'aplicació dels processos d'autoassemblatge i autoorganització en materials òxids, i en l'ús de solucions químiques pel creixement d'illes interficials. Estudis sistemàtics basats en la modificació de les condicions de creixement mostren la capacitat i versatilitat de la metodologia usada per ajustar la morfologia, mida, densitat i distribució de les nanoilles interficials. Concretament, hem estudiat el creixement de nanoestructures de les fases òxides BaZrO3, CeO2, Ce0.9Gd0.1O2-y (CGO) y La2O3, resultant el l'obtenció de plantilles amb nanoilles amb estretes distribucions de mida i notable tendència a ordenar-se espontàniament sobre substrats monocristal·lins de SrTiO3 i LaAlO3 (LAO). Hem determinat un rang de paràmetres (concentració de la solució precursora, temperatura, etc.) que estableixen un conjunt de condicions inicials per la generació de nanoilles interficials d'altres fases òxides. S'ha analitzat detalladament el sistema d'estructures dissemblants CGO/LAO (fluorita/perovskita) com a model per estudiar la formació i creixement de nanoilles induïdes per tensions elàstiques. La capacitat de seleccionar l'orientació cristal·logràfica de la nanoilles de CGO a partir del control de les condicions de creixement ens ha permès seleccionar l'anisotropia de tensions i d'energies de superfície de les nanoilles, resultant en la formació d'illes de CGO amb trets morfològics i cinètics molt distints. Tensions isotròpiques comporten la formació d'illes isomòrfiques de base quadrada, uniformes i estables. Aquests nanopunts creixen epitaxialment (001)CGO[110]||(001)LAO[100], tenen un diàmetre mig de ~45 nm, alçada ~7 nm i densitat 60 punts/&#956;m2 i s'autoorganitzen en files al llarg dels esglaons del substrat. En canvi, tensions anisotròpiques indueixen la formació de nanoestructures rectangulars (nanofils) d'acord amb la relació epitaxial (011)CGO[100]||(001)LAO[100]. L'eix llarg dels nanofils pot arribar a mesurar 2 &#956;m de longitud en menys de 30 minuts de tractament tèrmic a 1000oC en Ar-H2 mentre que l'eix curt roman <50 nm, fet que resulta en illes amb elevat índexs d'aspecte lateral (eix llarg/eix curt ~ 40). Els nanofils s'alineen al llarg dels eixos fàcils del substrat, i contínuament s'uneixen formant laberints de fils ortogonals que ràpidament es reconstrueixen en fils més llargs. L'existència d'atracció atractiva sembla ser la responsable la cinètica ultraràpida d'aquestes nanoilles tensades anisotròpicament. La dinàmica ultraràpida d'aquest sistema és una eina molt valuosa per estudiar l'evolució de nanoilles interficials; concretament, s'han identificat diferents mecanismes de coarsening actuant simultàniament (maduració Ostwald, coalescència dinàmica, coalescència estàtica, etc.). Simulacions basades en models termodinàmics ens han permès confirmar la morfologia i dimensió d'equilibri de cada tipus d'illa de CGO d'acord amb el seu estat de tensió elàstic i energies de superfícies. La combinació dels anàlisis experimentals amb els estudis termodinàmics ha permès establir una llista de les condicions necessàries per la formació de nanofils interficials extremadament llargs. Aquestes estratègies no es limiten a materials òxids i de fet poden ser usades per generació de nanoilles anisotròpiques en una gran varietat de sistemes, provant així la generalitat del treball fet. Finalment, es mostra una aplicació pràctica de les plantilles nanoestructurades òxides per induir centres artificials d'ancoratge de vòrtexs en capes primes de YBa2Cu3O7 (YBCO) també preparades mitjançant solucions químiques. Anàlisis metodològics basats en mesures angulars elèctriques de transport han evidenciat una important millora de la contribució anisotròpica-forta de la densitat de corrent crític per H||c en les capes primes de YBCO nanoestructurades respecte les mostres estàndard, indicant que la nanoestructuració interficial és una estratègia possible i prometedora per millorar la actuació de les capes primes de YBCO. També s'han realitzat anàlisis de les propietats superconductores en funció del gruix de YBCO.