Growth and characterization of strontium-doped lanthanum manganite ultra-thin films

Recent worldwide interest in developing efficient and environmentally friendly energy conversion devices has focused its attention on solid-oxide fuel-cells, which generate electricity via electrochemical oxidation of fuels. The oxidation occurs at the anode, as a result of the migration of oxygen ions - generated at the surface of a cathode material - through a ceramic electrolyte. In state-of-the-art solid-oxide fuel-cells, strontium-doped lanthanum manganite is chosen as the cathode material. The research on solid-oxide fuel-cells is currently oriented towards the understanding of the mechanisms governing the oxygen ions generation at the cathode surface, since this step strongly influences the device efficiency. As recently demonstrated, atomic-scale investigation is needed to address the oxygen incorporation mechanism, but a well-defined single-crystalline model system needs to be established in advance. This thesis work project aims at obtaining such a single-crystalline model system in the form of thin, atomically flat strontium-doped lanthanum manganite films, grown by pulsed laser deposition onto SrTiO\textsubscript{3}(110) substrates. As a first stage of this thesis work, the target for pulsed laser deposition growth was home-prepared and characterized. After the optimization of the growth parameters, strontium-doped lanthanum manganite was incrementally grown on different SrTiO\textsubscript{3}(110) substrates, and the first stages of growth were investigated. Atomic-scale studies were carried out by scanning tunneling microscopy. Other surface-sensitive techniques, such as low energy electron diffraction and x-ray photoemission spectroscopy, were used to investigate if and how the grown film affects the electronic and geometric structure of the underlying substrate. It resulted that for sufficiently high substrate temperatures, strontium-doped lanthanum manganite realizes an ordered growth, and arranges on the substrate with its own periodicity. An atomically flat surface was achieved by appropriate setting of growth parameters.

Lo sviluppo di dispositivi di conversione energetica ad alta efficienza e bassa emissione di gas serra stanno suscitando grande interesse a livello mondiale. In particolare, la ricerca è orientata sulle celle a combustibile a stato solido, le quali generano elettricità attraverso l'ossidazione elettrochimica di combustibili. L'ossidazione avviene all'anodo, in seguito alla migrazione di ioni di ossigeno - generati alla superficie di un catodo - attraverso un elettrolita ceramico. Nei dispositivi odierni il materiale scelto per il catodo è La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$, e la ricerca è focalizzata sui meccanismi che governano la generazione degli ioni di ossigeno alla sua superficie, dato che questo passaggio influenza notevolmente l'efficienza della cella. Come dimostrato di recente, un corretto approccio allo studio di questi meccanismi richiede un'investigazione su scala atomica, la quale tuttavia necessita che sia già ben definito un modello a singolo cristallo. Lo scopo del presente lavoro di tesi è ottenere tale modello a singolo cristallo, nella forma di un \textit{film} sottile di La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$, cresciuto mediante deposizione a laser impulsato su substrati di SrTiO\textsubscript{3}(110). In primo luogo è stato preparato e caratterizzato un target di La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ per la crescita a laser impulsato. Dopo aver ottimizzato i parametri di crescita, La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ è stato cresciuto incrementalmente su diversi substrati, e sono stati investigati i primi stadi di crescita. Studi su scala atomica sono stati condotti sfruttando la microscopia a effetto tunnel. Altre tecniche di superficie, come la diffrazione di elettroni a bassa energia e la spettroscopia di fotoemissione a raggi X, hanno permesso di studiare se e come il \textit{film} cresciuto influenza la struttura geometrica ed elettronica del substrato. \MakeUppercase{è} risultato che per temperature del substrato sufficientemente elevate La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ realizza una crescita ordinata, e si arrangia sul substrato con una propria periodicità. Una superficie piatta a livello atomico è stata ottenuta per una data combinazione di parametri.