氧化物超晶格的新兴界面振动结构

　　使用反射高能电子衍射激光沉积合成在NDGAO3（NGO）底物上生长的超晶格
。参考文献中可以进一步讨论增长。10及其补充信息 。在（Laalo3）0.3（SR2TAALO6）0.35（LSAT）底物上生长的超晶格是通过参考文献中概述的杂化分子束外延实现的
。41。 　　选定的区域衍射模式来自300 kV的Thermo Fisher 80-300 kV泰坦
，并配备了Gatan Oneview摄像头 。 　　在300 kV下运行的Thermo Fisher Themis Z-STEM上获取了扫描收敛梁电子衍射，ADF和IDPC图像
。ADF和IDPC图像的收敛角为30 mrad ，探头电流为200 pa
，停留时间为625 nm px -1。一个145毫米的摄像头长度投射到ADF检测器上，外半径为200毫米 ，内部半径为40毫米 。用于IDPC的分段ADF检测器的外半径为38-rad外半径
。IDPC图像（图1F
，I，L）允许测量O和Ti列的位置 ，从而可以定量八面体倾斜角42,43。金属位点的位置通过阈值
，找到质量中心，然后与二维高斯人配合 。O柱的间距需要手动定位原子柱
。 　　使用NION HERMES单色单色校正的专用茎以32 mrad的收敛角 ，25 mrad的入口收集角度
，每次批量的0.413 MEV均可用于SL2和SL4的ENAM 25 MEV，并以SL2和SL4的0.82 MEV的0.82 MEV ，使用振动的鳗鱼光谱在60 kV的工作电压下获取60 kV的振动。在12 MEV和17 MEV之间变化（补充图12） 。在这项研究中，所有鳗鱼光谱都是以外轴模式获取的
，该模式通过将电子衍射模式相对于鳗鱼的入口孔径而获得。在鳗鱼中，将偶极子散射可以主导声子种群中的信号和掩盖局部变化 ，这可以通过冲击散射检测到
。但是
，通过从散落到高角度的电子中获取鳗鱼，偶极散射的降低远大于冲击散射 ，并且可以检索局部信号29,31。在这里
，我们将视轴从鳗鱼入口孔径位于光谱仪的非分散轴上约50 mrad，仅在获得信号的上半部分中整合像素 。因此 ，本研究中显示的离轴鳗鱼具有约12.5 mrad的有效收集半角度
，该半角度分散在中央视轴上约55.5 mrad
。通过以较高角度集成信号，我们优先选择经历了冲击散射的振动 ，这是一个更空间局部的信号
，并排除了经历偶极散射到低角度的电子，该电子在空间上被定位。 　　具有拟合功能的振动鳗鱼背景拆卸可以引入误差 ，因为逼真的背景没有功能形状，这是由于零损坏峰和真实的光谱特征（例如不可抗拒的声音或低能的光学声子）的重叠 。因此
，我们选择采用另一种方法，通过乘以能量平方（E2）来使光谱的强度归一化 ，从而将光谱均匀地归一化为二次背景
。为了增加信噪比并与理论预测进行比较
，我们采用STO，CTO和界面层中所有光谱的平均值 ，类似于DFT中的DOS层。界面信号定义为一个长度为一个单位单元
，以与结构表征保持一致 。使用离轴高角度环形暗场信号的第二个导数分配接口
。补充图9中显示了SL4的接口分配的示例。然后可以轻松地将来自每一层的层平均信号与彼此进行比较和平均超晶格信号 。定性比较层和接口的振动响应的最初关注是相对于其他激发而言，散射概率可能依赖厚度趋势
。为了消除这些效果 ，我们比较了厚度依赖性趋势（补充图10）
，并发现层平均信号在几层后收敛。我们使用信号收敛后的层来比较超晶格 。在SL2中，结构表征表明我们无法定义结构界面或结构唯一的层。因此 ，我们有三个选择：（1）将整个周期定义为一层
，该层与平均超晶格信号相同，并且没有可比的光谱；（2）恢复化学定义的界面的定义 ，该定义界面提供了与彼此进行比较的STO和CTO层平均光谱和平均超晶格信号；或（3） 使用一个单位单元格的结构扩散的界面宽度，该单位单元格提供了接口
，STO和CTO层
。第三个定义不会留下实际的Sto或CTO层，因为Tio2的单个原子平面在接口之间保留。缺乏完整的STO和CTO层是IDPC分析中单个阶段合理的一部分 ，这使得第三个选择与结构分析不一致 。第二种选择与SL27和SL2的鳗鱼分析不一致
。我们选择了第三个选择
，以便三个超晶格之间的鳗鱼分析是一致的，并且由于在所有鳗鱼实验中均未使用原子分辨率条件 ，因此使单个平面层描绘不可比性。缺乏从STO层到接口层再到SL2鳗鱼分析中观察到的CTO层的光谱变化
，然后表明该层的行为相似，这与每个具有相似的对称性 。 　　DFT计算使用了Vienna Ab Initibe仿真软件包（VASP）44与投影仪（PAW）45,46方法和局部密度近似（LDA）47
。使用LDA进行交换相关性进行了声子计算 ，因为发现它在γ点上对声子的性能更好
，在这里，在此引起的γ点 ，在散装的CTO和STO48,49,50中。平面波基截止值为600 eV 。超晶格结构模型是通过将PBNM相Sto和CTO与特定厚度的C方向构建的
。选择了一个SL8模型以获得大周期超晶格的倾斜角
，因为知道界面耦合仅限于一些原子平面以及模拟SL27的刺激性计算要求。对于结构放松，将结构放松 ，直到原子力小于0.01eVÅ -1 。还针对每个超晶格模型优化了晶格参数
。使用有限差分法进行了声子计算。为了进行结构放松和调音计算，对于散装STO和CTO的K-SAMPLINGS为6×6×6
，SL2和SL4的4×4×2为4×4×2，SL8的K-Smplimplings为SL2和SL4的K-6×2×2 。最少半XM-1的全宽度用于绘制投影PDO的绘制。 　　通过在各个组成层上执行加权平均值来获得每个模型的PDO
。各个层的原子数对相应组成层的投影PDO进行了归一化 ，以提供三个超晶格之间的一致比较。然后通过ntotal =（x×nsto+y×ncto+z×nint）/（x+y+z）获得每个模型的总PDO
，其中x，y和z是每一层中考虑的原子的数量 。特别是 ，通过平均固有体积STO
，固有的大量CTO和SL8界面的声子模式获得SL27的PDOS
。所有模型中的界面均定义为化学定义界面两侧的一个单位电池，这与实验和计算的结构一致。由于主要的结构变化与TiO6八面体有关 ，因此我们可以假设不同超级晶格的不同振动状态主要由Ti/O相关振动模式贡献 。因此
，我们在Ti和O原子上投射PDO，强调对称性 - phonon关系
。由于仅激活与磁场平行的声子模式 ，因此PDO还投影在垂直于电子束的（110）平面中。为了完整性
，我们还投射了A位置原子上的PDO，可以在图7中找到 。 　　对非政府组织的样品进行了拉曼光谱法 ，并使用Horiba Labram Raman仪器，采用325 nm激光
，使用×40/0.5数值孔径目标进行聚焦
。激光能力已证实与结果无关紧要。在此波长下，令人兴奋的紫外线的皮肤深度在STO内为26 nm ，而CTO的皮肤深度大于1μm 。尽管CTO具有透明度
，但所有由拉曼审查的膜的厚度为200 nm，因此至少包含100 nm的sto
。这是皮肤深度的三倍以上 ，因此基础的非政府组织不会影响拉曼实验。整体样品显示出48,51,51,52,53,54,55,56,57的大量形式的响应 。使用最小二乘最小化的单片光谱的线性组合拟合了拉曼和FTIR光谱。这减轻了超晶格和组成材料之间的差异
，并帮助消除了FTIR中的底物响应
。 　　SHG测量在SL27，SL6 ，SL4
，SL3，SL2和SL1上进行 ，其标称厚度为200 nm
，在非政府组织基板上。与线性光学测量值相反，这是由包含超晶格58的材料的线性响应的平均值所决定的 ，如果组成材料具有反转对称性，则与SHG相关的较高级介电张量消失 。自制的SHG显微镜集中在1,040 nm培养的Neododmium掺杂的Yttrium Orthovanate上
，大约100-FS高斯激光源，该激光源以45°的入射角聚焦到样品表面 ，相对于表面正常
，使用A×10 Microscope物镜（Numererical Paperture 0.28）
。使用半波板旋转入射光束极化。带有基本频率和第二谐波频率的前向散射光束是用镜头收集的 。通过一系列的带通滤波器，将非秒谐波组件过滤掉 ，而第二谐波组件则集中在放大的雪崩光电二极管上
。通过以激光重复速率解调的锁定检测进一步扩增产生的电压。报告的第二谐波值是通过拟合测得的SHG强度（例如
，锁定光电二极管响应）作为每个样品的入射激光功率的函数来确定的抛物线系数 。测得的强度与入射场的平方依赖性表明未测量更高的谐波，或者没有基本频率的光学泄漏到达检测器
。 　　使用80-MHz ，800 nm的钛（蓝宝石振荡器（约100-FS脉冲））进行TDBS测量
，该测量在达到样品之前分为两个光学路径。第一束被用作高能泵脉冲，当将其聚焦到样品表面时 ，通过快速的材料热膨胀来刺激连贯的声音声子模式 。对于这些测量值
，该泵脉冲频率加倍（400 nm），以增加Sto -Cto层中的光吸收
。将第二梁向下发送机械延迟阶段 ，以改变脉冲到达样品表面的时间。这种低能的“探针
”脉冲在激发后，样品的光学特性随两个脉冲之间的时间延迟而变化 。当相干纵向声子模式通过超晶格传播时
，探头束会部分反射样品表面并部分地从相干波中脱离。由于声子模式的传播，这些部分反射之间的距离会随着时间的推移而演变 ，因此作为Fabry-perot干涉仪的作用
，在该探测波长的整数倍数中，在信号中观察到构造性干扰 ，在信号中观察到半含量的波长距离
，对于半含量的波长，两种反射的势力 ，两种反射势力势力降低了信号的影响
，并降低了信号的影响
。这些正弦变化的振荡的时间衰减是对泵生成的纵向振动模式在超晶格结构内的寿命的直接监测。