Ternary single crystalline bixbyite PrxY2−xO3 films over the full stoichiometry range (x = 0–2) have been epitaxially grown on Si (111) with tailored electronic and crystallographic structure. In this work, we present a detailed study of their local atomic environment by extended X-ray absorption fine structure at both Y K and Pr LIII edges, in combination with complementary high resolution x-ray diffraction measurements. The local structure exhibits systematic variations as a function of the film composition. The cation coordination in the second and third coordination shells changes with composition and is equal to the average concentration, implying that the PrxY2−xO3 films are indeed fully mixed and have a local bixbyite structure with random atomic-scale ordering. A clear deviation from the virtual crystal approximation for the cation-oxygen bond lengths is detected. This demonstrates that the observed Vegard's law for the lattice variation as a function of composition is based microscopically on a more complex scheme related to local structural distortions which accommodate the different cation–oxygen bond lengths.

1.
R. A.
McKee
,
F. J.
Walker
, and
M. F.
Chisholm
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
3014
(
1998
).
2.
M.
Tang
,
P.
Lu
,
J.
Valdez
, and
K.
Sickafus
,
J. Appl. Phys.
99
,
063514
(
2006
).
3.
J.
Stankiewicz
,
F.
Villuendas
, and
J.
Bartolomé
,
Phys. Rev. B
75
,
235308
(
2007
).
4.
S. S.
Kim
,
J. H.
Moon
,
B.-T.
Lee
,
K.-S.
Sohn
,
T. S.
Kang
, and
J. H.
Je
,
Appl. Surf. Sci.
221
,
231
(
2004
).
5.
F.
Sanchez
,
R.
Bachelet
,
P. d.
Coux
,
B.
Warot-Fonrose
,
V.
Skumryev
,
L.
Tarnawska
,
P.
Zaumseil
,
T.
Schroeder
, and
J.
Fontcuberta
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
211910
(
2011
).
6.
J. H.
Choi
,
J. Y.
Lee
, and
Y. T.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
4028
(
2000
).
7.
A.
Giussani
,
P.
Zaumseil
,
O.
Seifarth
,
P.
Storck
, and
T.
Schroeder
,
New J. Phys.
12
,
093005
(
2010
).
8.
A.
Fissel
,
D.
Kühne
,
E.
Bugiel
, and
H. J.
Osten
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
153105
(
2006
).
9.
A.
Giussani
,
P.
Zaumseil
,
P.
Rodenbach
,
G.
Weidner
,
M. A.
Schubert
,
D.
Geiger
,
H.
Lichte
,
P.
Storck
,
J.
Wollschläger
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
106
,
073502
(
2009
).
10.
G.
Niu
,
L.
Largeau
,
G.
Saint-Girons
,
B.
Vilquin
,
J.
Cheng
,
O.
Mauguin
, and
G.
Hollinger
,
J. Vac. Sci. Technol. A
28
,
1187
(
2010
).
11.
L.
Tarnawska
,
P.
Zaumseil
,
M. A.
Schubert
,
S.
Okur
,
U.
Ozgur
,
H.
Morkoç
,
R.
Paszkiewicz
,
P.
Storck
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
111
,
073509
(
2012
).
12.
G.
Saint-Girons
,
P.
Regreny
,
L.
Largeau
,
G.
Patriarche
, and
G.
Hollinger
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
241912
(
2007
).
13.
V.
Narayanan
,
S.
Guha
,
N. A.
Bojarczuk
, and
F. M.
Ross
,
J. Appl. Phys.
93
,
251
(
2003
).
14.
J.
Zachariae
and
H.
Pfnür
,
Phys. Rev. B
72
,
075410
(
2005
).
15.
O.
Seifarth
,
M. A.
Schubert
,
A.
Giussani
,
D. O.
Klenov
,
D.
Schmeisser
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
108
,
103709
(
2010
).
16.
O.
Seifarth
,
B.
Dietrich
,
P.
Zaumseil
,
A.
Giussani
,
P.
Storck
, and
T.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
108
,
073526
(
2010
).
17.
C. R.
Stanek
,
K. J.
McClellan
,
B. P.
Uberuaga
,
K. E.
Sickafus
,
M. R.
Levy
, and
R. W.
Grimes
,
Phys. Rev. B
75
,
134101
(
2007
).
18.
F.
Boscherini
, in
Characterization of Semiconductor Heterostructures and Nanostructures
, edited by
C.
Lamberti
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
2008
).
19.
M.
Tormen
,
D. D.
Salvador
,
A. V.
Drigo
,
F.
Romanato
,
F.
Boscherini
, and
S.
Mobilio
,
Phys. Rev. B
63
,
115326
(
2001
).
20.
M.
Tormen
,
D. De
Salvador
,
F.
Boscherini
,
F.
Romanato
,
A. V.
Drigo
, and
S.
Mobilio
,
Appl. Surf. Sci.
188
,
85
(
2002
).
21.
J. C.
Woicik
,
J. A.
Gupta
,
S. P.
Watkins
, and
E. D.
Crozier
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1269
(
1998
).
22.
F.
d'Acapito
,
F.
Boscherini
,
S.
Mobilio
,
A.
Rizzi
, and
R.
Lantier
,
Phys. Rev. B
66
,
205411
(
2002
).
23.
M.
Malvestuto
,
R.
Carboni
,
F.
Boscherini
,
F.
D'Acapito
,
S. S. a. M.
Fanciulli
, and
G. V. A.
Dimoulas
, and
G.
Mavrou
,
Phys. Rev. B
71
,
075318
(
2005
).
24.
A. M.
Flank
,
R.
Delaunay
,
P.
Lagarde
,
M.
Pompa
, and
J.
Jupille
,
Phys. Rev. B
53
,
R1737
(
1996
).
25.
E.
Groppo
,
C.
Prestipino
,
C.
Lamberti
,
P.
Luches
,
C.
Giovanardi
, and
F.
Boscherini
,
J. Phys. Chem. B
107
,
4597
(
2003
).
26.
F.
Boscherini
,
F.
D'Acapito
,
S. F.
Galata
,
D.
Tsoutsou
, and
A.
Dimoulas
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
121909
(
2011
).
27.
A.
Wilke
,
J.-M.
Yang
,
J. W.
Kim
,
O.
Seifarth
,
B.
Dietrich
,
A.
Giussani
,
P.
Zaumseil
,
P.
Storck
, and
T.
Schroeder
,
Surf. Interface Anal.
43
,
827
(
2010
).
28.
S.
Pascarelli
,
F.
Boscherini
,
F.
d'Acapito
,
J.
Hrdy
,
C.
Meneghini
, and
S.
Mobilio
,
J. Synchrotron Radiat.
3
,
147
(
1996
).
29.
G.
Ciatto
,
F.
d'Acapito
,
F.
Boscherini
, and
S.
Mobilio
,
J. Synchrotron Radiat.
11
,
278
(
2004
).
30.
C.
Maurizio
,
M.
Rovezzi
,
F.
Bardelli
,
H. G.
Pais
, and
F.
D'Acapito
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
063904
(
2009
).
31.
P.
Zaumseil
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
41
,
135308
(
2008
).
32.
P.
Zaumseil
and
T.
Schroeder
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
055403
(
2011
).
33.
P.
Zaumseil
,
L.
Tarnawska
,
P.
Storck
, and
T.
Schroeder
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
315403
(
2011
).
34.
B.
Ravel
and
M.
Newville
,
J. Synchrotron Radiat.
12
,
537
(
2005
).
36.
A.
Ankudinov
,
B.
Ravel
,
J. J.
Rehr
, and
S.
Conradson
,
Phys. Rev. B
58
,
7565
(
1998
).
37.
F.
Romanato
,
D. D.
Salvador
,
M.
Berti
,
A.
Drigo
,
M.
Natali
,
M.
Tormen
,
G.
Rossetto
,
S.
Pascarelli
,
F.
Boscherini
,
C.
Lamberti
, and
S.
Mobilio
,
Phys. Rev. B
57
,
14619
(
1998
).
38.
N. J.
Ramer
and
A. M.
Rappe
,
Phys. Rev. B
62
,
R743
(
2000
).
39.
S.
Hubert
,
J.
Purans
,
G.
Heisbourg
,
P.
Moisy
, and
N.
Dacheux
,
Inorg. Chem.
45
,
3887
(
2006
).
40.
Crystal structures; Vol. 2
, edited by
R. W. G.
Wyckoff
(
Interscience publishers
,
New York
,
1964
).
41.
J. L.
Martins
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
30
,
6217
(
1984
).
42.
A.
Zunger
and
J. E.
Jaffe
,
Phys. Rev. Lett.
51
,
662
(
1983
).
43.
J. C.
Mikkelsen
, Jr.
and
J. B.
Boyce
,
Phys. Rev. Lett.
49
,
1412
(
1982
).
44.
J. C.
Mikkelsen
, Jr.
and
J. B.
Boyce
,
Phys. Rev. B
28
,
7130
(
1983
).
45.
A.
Balzarotti
,
A.
Kisiel
,
N.
Motta
,
M. Z.
Starnawska
,
M. T.
Czycyk
, and
M.
Podgorny
,
Phys. Rev. B
30
,
2295
(
1984
).
46.
V.
Srihari
,
V.
Sridharan
,
S.
Chandra
,
V. S.
Sastry
,
H. K.
Sahu
, and
C. S.
Sundar
,
J. Appl. Phys.
109
,
013510
(
2011
).
48.
T.
Schroeder
,
T.-L.
Lee
,
L.
Libralesso
,
I.
Joumard
,
J.
Zegenhagen
,
P.
Zaumseil
,
C.
Wenger
,
G.
Lupina
,
G.
Lippert
,
J.
Dabrowski
, and
H.-J.
Müssig
,
J. Appl. Phys.
97
,
074906
(
2005
).
You do not currently have access to this content.