透過異質介面改善有機鈣鈦礦奈米層於鐵磁金屬表面之分布形貌

113年10月11日

【本篇報導由物理學系  林文欽教授研究團隊提供】 　　近年來，科學家們將鐵磁層與鈣鈦礦薄膜組合用於光控自旋電子裝置方面付出了相當大的努力。然而為了實現這種組合，控制介面品質以及鐵磁層和鈣鈦礦層之間的相互作用至關重要。之前的研究已經觀察到有機鈣鈦礦薄膜，於鐵鈀合金薄膜上會自組裝成奈米圓盤。為了達到奈米尺度的均勻覆蓋，研究團隊在鈣鈦礦和金屬薄膜之間插入1-2奈米氧化鋁層（AlOx）或單原子石墨烯層（Gr）的超薄異質介面。透過原子力顯微鏡（AFM）和掃描式電子顯微鏡（SEM），觀察到有機鈣鈦礦成功形成了連續緻密、無空隙的薄膜，其粗糙度波動在個位數奈米以內。表面磁光柯爾效應測量清楚顯示，鈣鈦礦薄膜對磁性的覆蓋效應可以忽略不計。本研究讓各界深入了解鈣鈦礦/金屬異質結構的介面問題，未來將能夠應用於此類自旋電子元件之中。   　　鈣鈦礦MAPbBr3/FePd異質結構表現出柱狀寬度約1μm、高度大約200奈米的微結構。然而，當MAPbBr3和金屬薄膜之間加入超薄AlOχ或Gr介面層後，MAPbBr3形成了均勻的薄膜。透過新增異質介面，MAPbBr3的表面形貌起伏範圍從數百奈米大幅減少至6奈米。掃描式電子顯微鏡影像顯示，旋塗到AlOx和Gr上的MAPbBr3薄膜的厚度範圍從50到100nm，並揭示MAPbBr3形成無空隙的緻密薄膜。旋塗鈣鈦礦薄膜前後所量測的磁性觀察到，磁滯曲線幾乎重疊，顯示AlOx和Gr薄膜具有防止氧化以及鈣鈦礦和鐵磁金屬層之間的介面擴散。這些觀察結果表明AlOx或Gr層的插入有利於製造鐵磁金屬薄膜上均勻緻密的鈣鈦礦薄膜及其在自旋電子學中的應用。 圖一：(a)MAPbBr3/FePd的光學和AFM影像，顯示出高度約為200nm、寬度約為1μm的柱狀微觀結構。(b)示意圖呈現鈣鈦礦層和金屬層之間的Gr或AlOχ層。 圖二：(a)2nm Pd/10 nm Fe、(b)單層Gr/2nm Pd/10 nm Fe、(c)107nm MAPbBr3/單層 Gr/2nm Pd/10 nm Fe薄膜之原子力掃描顯微影像。以上結果清楚顯示當鈣鈦礦被旋塗到Gr層上時，會形成連續薄膜。 圖三：(a) 0.8nm AlOx/5 nm Fe 和 (b) 53 nm MAPbBr3/AlOx/Fe 的AFM影像。當旋塗到Al2O3介面層上時，鈣鈦礦呈現均勻的薄膜。(c)MAPbBr3/AlOx/Fe薄膜的橫截面SEM圖像，揭示鈣鈦礦緻密且無空隙。 圖四：(a)10nm FePd、(b) Gr/FePd和(c) AlOx/FePd表面上純水液滴的接觸角影像。轉移Gr或鍍上AlOx層後相較於裸露的FePd表面，具有較高的親水性。     原文出處： Liu, S. Y., Lin, Z. E., Wu, B. T., Chen, T. H., Hung, H. C., Yin, C. H., Hsieh, C. T., Liu, C. M., Liaw, L. J., Hsu, S. Y., Chang, P. C., Chao, Y. C., & Lin, W. C. (2022). Improvement from discrete to uniform wetting of organic perovskite on ferromagnetic metals through a heterointerface.  Applied Surface Science,601, Article 154180.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154180