We introduce a single-step lithography process based on Ga+-focused ion beam (FIB) irradiation to trigger a topotactic transformation on SrFeO3−δ thin films, from the perovskite to the brownmillerite (BM) crystal structure. The crystallographic transformation is triggered by preferential oxygen sputtering by Ga+-FIB irradiation, which favors the formation of the SrFeO2.5 BM phase. The transformation has been verified through micro-Raman spectroscopy on thin films subjected to Ga+-FIB irradiation under 5 kV and 30 kV. Inducing crystallographic transformations by FIB in a single-step process (without the need of resists), at a very high speed (low Ga+ doses are required, in the range of 1015 ions/cm2), with very high spatial resolution (limited by the ion beam spot, of a few square nanometers) and with potential for upscaling using broad Ga+ beams, this approach represents a significant forward step over previous methods using multistep lithographic or electrochemical procedures. All these virtues make this process appealing to develop applications based not only on SrFeO3−δ thin films but also on other oxide films harnessing topotactic transformations.

1.
W.
Paulus
,
C.
Tassel
,
M.
Ceretti
,
M.
Takano
,
T.
Watanabe
,
H.
Kageyama
,
Y.
Tsujimoto
,
C.
Ritter
,
N.
Hayashi
, and
K.
Yoshimura
,
Nature
450
,
1062
(
2007
).
2.
S.
Inoue
,
M.
Kawai
,
N.
Ichikawa
,
H.
Kageyama
,
W.
Paulus
, and
Y.
Shimakawa
,
Nat. Chem.
2
,
213
(
2010
).
3.
W. S.
Choi
,
T. S.
Yoo
,
M.
Kim
,
J.
Lee
,
T. D.
Kang
,
D.
Shin
,
A.
Khare
,
T. W.
Noh
,
H.
Ohta
,
J.
Hwang
,
S. W.
Kim
,
I.-H.
Jung
, and
S.
Roh
,
Adv. Mater.
29
,
1606566
(
2017
).
4.
Y.
Shimakawa
,
Bull. Chem. Soc. Jpn.
86
,
299
(
2013
).
5.
H.
Yamada
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
622
(
2002
).
6.
C.
Tassel
and
H.
Kageyama
,
Chem. Soc. Rev.
41
,
2025
(
2012
).
7.
H.
Jeen
,
W. S.
Choi
,
J. W.
Freeland
,
H.
Ohta
,
C. U.
Jung
, and
H. N.
Lee
,
Adv. Mater.
25
,
3651
(
2013
).
8.
A.
Khare
,
J.
Lee
,
J.
Park
,
G. Y.
Kim
,
S. Y.
Choi
,
T.
Katase
,
S.
Roh
,
T. S.
Yoo
,
J.
Hwang
,
H.
Ohta
,
J.
Son
, and
W. S.
Choi
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
4831
(
2018
).
9.
S.
Roh
,
S.
Lee
,
M.
Lee
,
Y. S.
Seo
,
A.
Khare
,
T.
Yoo
,
S.
Woo
,
W. S.
Choi
,
J.
Hwang
,
A.
Glamazda
, and
K. Y.
Choi
,
Phys. Rev. B
97
,
075104
(
2018
).
10.
N.
Lu
,
P.
Zhang
,
Q.
Zhang
,
R.
Qiao
,
Q.
He
,
H.-B.
Li
,
Y.
Wang
,
J.
Guo
,
D.
Zhang
,
Z.
Duan
,
Z.
Li
,
M.
Wang
,
S.
Yang
,
M.
Yan
,
E.
Arenholz
,
S.
Zhou
,
W.
Yang
,
L.
Gu
,
C.-W.
Nan
,
J.
Wu
,
Y.
Tokura
, and
P.
Yu
,
Nature
546
,
124
(
2017
).
11.
A.
Chroneos
,
B.
Yildiz
,
A.
Taranc
,
D.
Parfitt
, and
J. A.
Kilner
,
Energy Environ. Sci.
4
,
2774
(
2011
).
12.
A. J.
Fernández-Ropero
,
J. M.
Porras-Vázquez
,
A.
Cabeza
,
P. R.
Slater
,
D.
Marrero-López
, and
E. R.
Losilla
,
J. Power Sources
249
,
405
(
2014
).
13.
J. F.
Vente
,
S.
McIntosh
,
W. G.
Haije
, and
H. J. M.
Bouwmeester
,
J. Solid State Electrochem.
10
,
581
(
2006
).
14.
J. F.
Vente
,
W. G.
Haije
, and
Z. S.
Rak
,
J. Membr. Sci.
276
,
178
(
2006
).
15.
Q.
Lu
,
Y.
Chen
,
H.
Bluhm
, and
B.
Yildiz
,
J. Phys. Chem. C
120
,
24148
(
2016
).
16.
Q.
Lu
and
B.
Yildiz
,
Nano Lett.
16
,
1186
(
2016
).
17.
J.
Lee
,
E.
Ahn
,
Y.-S.
Seo
,
Y.
Kim
,
T.-Y.
Jeon
,
J.
Cho
,
I.
Lee
, and
H.
Jeen
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
54035
(
2018
).
18.
S.
Hu
and
J.
Seidel
,
Nanotechnology
27
,
325301
(
2016
).
19.
X.
Zhong
,
T.
Ma
,
B.
Cui
,
Y.
Zhuang
,
J. M.
Taylor
,
S. S. P.
Parkin
,
P.
Werner
, and
Z.
Wang
,
Nat. Commun.
9
,
3055
(
2018
).
20.
A.
Maity
,
R.
Dutta
,
B.
Penkala
,
M.
Ceretti
,
A.
Letrouit-Lebranchu
,
D.
Chernyshov
,
A.
Perichon
,
A.
Piovano
,
A.
Bossak
,
M.
Meven
, and
W.
Paulus
,
J. Phys. D
48
,
504004
(
2015
).
21.
E.
Ferreiro‐Vila
,
S.
Blanco‐Canosa
,
I.
Lucas del Pozo
,
H. B.
Vasili
,
C.
Magén
,
A.
Ibarra
,
J.
Rubio‐Zuazo
,
G. R.
Castro
,
L.
Morellón
, and
F.
Rivadulla
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1901984
(
2019
).
22.
D. W.
Reagor
and
V. Y.
Butko
,
Nat. Mater.
4
,
593
(
2005
).
23.
D.
Kan
,
T.
Terashima
,
R.
Kanda
,
A.
Masuno
,
K.
Tanaka
,
S.
Chu
,
H.
Kan
,
A.
Ishizumi
,
Y.
Kanemitsu
,
Y.
Shimakawa
, and
M.
Takano
,
Nat. Mater.
4
,
816
(
2005
).
24.
F. Y.
Bruno
,
J.
Tornos
,
M.
Gutierrez Del Olmo
,
G.
Sanchez Santolino
,
N. M.
Nemes
,
M.
Garcia-Hernandez
,
B.
Mendez
,
J.
Piqueras
,
G.
Antorrena
,
L.
Morellón
,
J. M.
De Teresa
,
M.
Clement
,
E.
Iborra
,
C.
Leon
, and
J.
Santamaria
,
Phys. Rev. B
83
,
245120
(
2011
).
26.
L.
Bruchhaus
,
P.
Mazarov
,
L.
Bischoff
,
J.
Gierak
,
A. D.
Wieck
, and
H.
Hövel
,
Appl. Phys. Rev.
4
,
011302
(
2017
).
27.
Y.
Drezner
,
D.
Fishman
,
Y.
Greenzweig
, and
A.
Raveh
,
J. Vac. Sci. Technol., B
29
,
011026
(
2011
).
28.
A.
Yasaka
,
F.
Aramaki
,
T.
Kozakai
, and
O.
Matsuda
,
Hitachi Rev.
65
,
71
(
2016
).
29.
L. A.
Giannuzzi
and
F. A.
Stevie
,
Micron
30
,
197
(
1999
).
30.
S.
Reyntjens
and
R.
Puers
,
J. Micromech. Microeng.
11
,
287
(
2001
).
31.
E. S.
Sadki
,
S.
Ooi
, and
K.
Hirata
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
6206
(
2004
).
32.
M. A.
Hartney
,
J. Vac. Sci. Technol., B
9
,
3432
(
1991
).
33.
G.
Rius
,
J.
Llobet
,
X.
Borrisé
,
N.
Mestres
,
A.
Retolaza
,
S.
Merino
, and
F.
Perez-Murano
,
J. Vac. Sci. Technol., B
27
,
2691
(
2009
).
34.
A. V.
Krasheninnikov
and
K.
Nordlund
,
J. Appl. Phys.
107
,
071301
(
2010
).
35.
X.
Zhang
,
H.
Vieker
,
A.
Beyer
, and
A.
Gölzhäuser
,
Beilstein J. Nanotechnol.
5
,
188
(
2014
).
36.
Z.
Li
and
F.
Chen
,
Appl. Phys. Rev.
4
,
011103
(
2017
).
37.
R.
Córdoba
,
P.
Orús
,
S.
Strohauer
,
T. E.
Torres
, and
J. M.
De Teresa
,
Sci. Rep.
9
,
14076
(
2019
).
38.
C.
Chappert
,
H.
Bernas
,
J.
Ferre
,
V.
Kottler
, and
J.
Jamet
,
Science
280
,
1919
(
1998
).
39.
J.
Fassbender
and
J.
McCord
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
579
(
2008
).
40.
L.
Serrano-Ramón
,
A.
Fernández-Pacheco
,
R.
Córdoba
,
C.
Magén
,
L. A.
Rodríguez
,
D.
Petit
,
R. P.
Cowburn
,
M. R.
Ibarra
, and
J. M.
De Teresa
,
Nanotechnology
24
,
345703
(
2013
).
41.
S. A.
Cybart
,
E. Y.
Cho
,
T. J.
Wong
,
B. H.
Wehlin
,
M. K.
Ma
,
C.
Huynh
, and
R. C.
Dynes
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
598
(
2015
).
42.
E.
Menéndez
,
M. O.
Liedke
,
J.
Fassbender
,
T.
Gemming
,
A.
Weber
,
L. J.
Heyderman
,
K. V.
Rao
,
S. C.
Deevi
,
S.
Suriñach
,
M. D.
Baró
,
J.
Sort
, and
J.
Nogués
,
Small
5
,
229
(
2008
).
43.
B. M.
Lefler
,
T.
Duchoň
,
G.
Karapetrov
,
J.
Wang
,
C. M.
Schneider
, and
S. J.
May
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
073802
(
2019
).
44.
J. B.
Wang
,
A.
Datta
, and
Y. L.
Wang
,
Appl. Surf. Sci.
135
,
129
(
1998
).
45.
P.
Adler
,
A.
Lebon
,
V.
Damljanović
,
C.
Ulrich
,
C.
Bernhard
,
A. V.
Boris
,
A.
Maljuk
,
C. T.
Lin
, and
B.
Keimer
,
Phys. Rev. B
73
,
094451
(
2006
).
46.
M. A.
Islam
,
Y.
Xie
,
M. D.
Scafetta
,
S. J.
May
, and
J. E.
Spanier
,
J. Phys. Condens. Matter
27
,
155401
(
2015
).
47.
J. M.
De Teresa
,
P.
Orús
,
R.
Córdoba
, and
P.
Philipp
,
Micromachines
10
,
799
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.