Pulsed laser deposition of CeO₂ and Ce_1−xM_xO₂ (M = La, Zr): Application to insulating barrier in cuprate heterostructures^*

¹ Unité Mixte de Physique CNRS/Thomson-CSF, 91404 Orsay, France
² LCR/Thomson-CSF, 91404 Orsay, France
³ Institute of Physical Chemistry, Russian Academy of Sciences, 117915 Moscow, Russia
⁴ CECM/CNRS, 94407 Vitry-sur-Seine, France

Received: 13 June 1997
Revised: 3 September 1997
Accepted: 19 November 1997
Published online: 15 March 1998

Abstract

SrTiO₃ had been often tentatively used as an insulating barrier for HT superconductor/insulator heterostructures. Unfortunately, the deposition of SrTiO₃ on the YBa₂Cu₃O₇ inverse interface results in a poor epitaxial regrowth producing a high roughness dislocated titanate layer. Taking into account the good matching with YBa₂Cu₃O₇ and LaAlO₃, CeO₂ and Ce_1−xM_xO₂ (M = La, Zr), epitaxial layers were grown by pulsed laser deposition on LaAlO₃ substrates and introduced into YBa₂Cu₃O₇ based heterostructures as insulating barrier. After adjusting the growth parameters from RHEED oscillations, epitaxial growth is achieved, the oxide crystal axes being rotated by 45° from those of the substrate. The surface roughness of 250 nm thick films is very low with a rms value lower than 0.5 nm over 1 μm². The YBa₂Cu₃O₇ layers of a YBa₂Cu₃O₇/CeO₂ /YBa₂Cu₃O₇ heterostructures grown using these optimized parameters show an independent resistive transition, when the thickness is larger than 25 nm, respectively at T_c1 = 89.6K and T_c2 = 91.4K.

Résumé

SrTiO₃ est souvent utilisé comme barrière isolante dans des hétérostructures SIS de cuprates supraconducteurs, cependant les défauts générés lors de la croissance de ce titanate sur l'interface inverse de YBa₂Cu₃O₇ conduisent à un matériau dont la qualité cristalline et les propriétés physiques sont médiocres. L'oxyde de cérium CeO₂ est également une barrière isolante potentielle intéressante pour ces structures SIS basées sur YBa₂Cu₃O₇ car cet oxyde cubique (a = 0,5411 nm, /2 = 0,3825 nm) qui est peu désaccordé par rapport au plan ab du cuprate () présente de plus un coefficient de dilatation thermique (10,6 × 10⁻⁶ °C⁻¹) très voisin de celui de YBa₂Cu₃O₇ (13 × 10⁻⁶ °C⁻¹). Nous avons donc étudié l'épitaxie de CeO₂ et des oxydes de type Ce_1−xM_xO₂ (M = La, Zr) en ablation laser pulsée afin de définir des conditions de croissance optimisées pour la réalisation de barrières isolantes ultra-minces à faible rugosité d'interface. L'interface de croissance a été caractérisée par analyse en diffraction d'électrons rapides en incidence rasante (RHEED) en temps réel et par analyse ex-situ en microscopie par force atomique (AFM) et diffraction de rayons X (DRX). Lorsque les paramètres de la croissance (T, p_O2, fréquence du laser, distance cible-substrat...) sont optimisés par observation des oscillations d'intensité de RHEED, les films sont épitaxiés à 45° des axes du substrat. La rugosité rms d'un film de 250 nm d'épaisseur déterminée par AFM sur 1 μm² est alors inférieure à 0,5 nm, c'est-à-dire de l'ordre de la hauteur d'une maille élémentaire. Ces conditions optimisées ont été utilisées pour la réalisation d'hétérostructures YBa₂Cu₃O₇/CeO₂/YBa₂Cu₃O₇, lorsque l'épaisseur est supérieure à 25 nm, les couches élémentaires de YBa₂Cu₃O₇ présentent des transitions résistive indépendantes respectivement à T_c1 = 89,6 K et T_c2 = 91,4 K.