Epitaxial growth of (001)-oriented anatase films on ferroelectric buffer layers

Abstract

L’òxid de titani és interessant, entre altres coses, per a la conversió fotovoltaica de la llum en electricitat. Les dues superfícies més estudiades del TiO2 són el rútil (110) i la anatasa (101). El rútil és la superfície més estable termodinàmicament a altes temperatures, mentre que la anatasa és la més estable a temperatura ambient, així com la més fotoactiva. No obstant això, actualment la anatasa-*TiO2 (001) promet una major activitat fotocatalítica que la anatasa-*TiO2(101), a causa del major nombre de llocs actius de Tu en la superfície de la anatasa (001). D’altra banda, se sap que la presència d’ions Ti3+ pot millorar l’activitat fotocatalítica en actuar com a punts d’absorció d’electrons, suprimint finalment la recombinació. Aquests ions es formen normalment per la reducció d’ions Ti4 a Ti3+ a causa de la formació de vacants d’oxigen. En aquest treball creixem pel·lícules de anatasa orientades (001) mitjançant deposició de làser premut sobre SrTiO3(001) per a investigar les propietats estructurals i electròniques d’aquestes superfícies. L’anàlisi dels patrons LLEGIU indica el desenvolupament d’una reconstrucció superficial (4x1)/(*1x4), que és una manifestació de la deficiència d’oxigen. La difracció de raigs X indica que només s’obté l’orientació cristal·lina de la anatasa (001). La topografia de la superfície de les pel·lícules de anatasa pot ajustar-se en funció de la temperatura, com s’observa en els mesuraments de AFM. A més, el AFM mostra que la dimensió lateral dels dominis ordenats s’estén fins al rang de 100-200nm. A més, es mostra un treball preliminar de TiO2 dipositat sobre heteroestructures ferroelèctriques BaTiO3/SrTiO3 amb l’objectiu final d’investigar l’acoblament entre la ferroelectricitat i l’eficiència fotocatalítica. A més, es van investigar les condicions de deposició de les perovskites ferroelèctriques BaTiO3 i BiFeO3. Les pel·lícules de BTO van créixer (001) orientades amb superfícies llises i diferents relacionis c/a depenent de les condicions de creixement. D’altra banda, petites variacions en la temperatura provoquen canvis notables en la morfologia superficial i l’estequiometria de les capes primes de BFO.

El óxido de titanio es interesante, entre otras cosas, para la conversión fotovoltaica de la luz en electricidad. Las dos superficies más estudiadas del TiO2 son el rutilo (110) y la anatasa (101). El rutilo es la superficie más estable termodinámicamente a altas temperaturas, mientras que la anatasa es la más estable a temperatura ambiente, así como la más fotoactiva. Sin embargo, actualmente la anatasa-TiO2 (001) promete una mayor actividad fotocatalítica que la anatasa-TiO2(101), debido al mayor número de sitios activos de Ti en la superficie de la anatasa (001). Por otra parte, se sabe que la presencia de iones Ti3+ puede mejorar la actividad fotocatalítica al actuar como puntos de absorción de electrones, suprimiendo finalmente la recombinación. Estos iones se forman normalmente por la reducción de iones Ti4 a Ti3+ debido a la formación de vacantes de oxígeno. En este trabajo crecemos películas de anatasa orientadas (001) mediante deposición de láser pulsado sobre SrTiO3(001) para investigar las propiedades estructurales y electrónicas de estas superficies. El análisis de los patrones LEED indica el desarrollo de una reconstrucción superficial (4x1)/(1x4), que es una manifestación de la deficiencia de oxígeno. La difracción de rayos X indica que sólo se obtiene la orientación cristalina de la anatasa (001). La topografía de la superficie de las películas de anatasa puede ajustarse en función de la temperatura, como se observa en las mediciones de AFM. Además, el AFM muestra que la dimensión lateral de los dominios ordenados se extiende hasta el rango de 100-200nm. Además, se muestra un trabajo preliminar de TiO2 depositado sobre heteroestructuras ferroeléctricas BaTiO3/SrTiO3 con el objetivo final de investigar el acoplamiento entre la ferroelectricidad y la eficiencia fotocatalítica. Además, se investigaron las condiciones de deposición de las perovskitas ferroeléctricas BaTiO3 y BiFeO3. Las películas de BTO crecieron (001) orientadas con superficies lisas y diferentes relaciones c/a dependiendo de las condiciones de crecimiento. Por otro lado, pequeñas variaciones en la temperatura provocan cambios notables en la morfología superficial y la estequiometría de las películas delgadas de BFO.

Titania is of interest among others for the photovoltaic conversion of light to electricity. The two most studied surfaces of TiO2 are the rutile (110) and the anatase (101). Rutile provides the most thermodynamically stable surface at higher temperatures, whereas anatase is the most stable one at room temperature as well as the most photoactive. However, currently anatase-TiO2 (001) holds promises of greater photocatalytic activity than anatase-TiO2(101), as the anatase (001) surface has the higher number of Ti active sites. On the other hand, it is known that the presence of Ti3+ ions may improve the photocatalytic activity by acting as electron hole traps eventually suppressing the recombination. These ions are formed by the reduction of Ti4+ ions to Ti3+ due to the formation of oxygen vacancies. In this work we grow (001)-oriented anatase films by Pulsed Laser Deposition on SrTiO3(001) to investigate the structural and electronic properties of these surfaces. The analysis of LEED patterns indicates the development of a (4x1)/(1x4) surface reconstruction, which is a manifestation of oxygen deficiency. X-Ray diffraction indicates that only the anatase (001) crystal orientation is obtained. The surface topography of anatase films can be tuned as function of temperature as observed from AFM measurements. Moreover, AFM shows that the lateral dimension of the ordered domains extends up to the 100-200nm range. Additionally, a preliminary work of titania deposited on ferroelectric BaTiO3/SrTiO3 heterostructures is shown with the final aim of investigating the coupling between the ferroelectricity and the photocatalytic efficiency. Furthermore, the deposition conditions of the ferroelectric perovskites BaTiO3 and BiFeO3 were investigated. BTO films grew (001) oriented with smooth surfaces and different c/a ratios depending on the growth conditions. On the other hand, small variations in temperature results in notable changes in the surface morphology and stoichiometry of BFO thin films.