Name: 组分变熵稳定氧化物的体积和薄膜合成 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-29T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 41 s
Description: 学习高熵氧化物块体与薄膜的合成方法，通过研磨、压制和高温烧结制备(MgCoNiCuZn)O靶材，并利用脉冲激光沉积技术生长高质量外延薄膜。该方法具有高度可调性，适用于探索化学无序对长程磁性的影响，为功能氧化物研究提供重要工具。

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本工作部分由美国国家科学基金会资助，项目编号为 DMR-0420785（XPS）。我们感谢密歇根大学材料表征中心（MC）2 在XPS测试方面提供的帮助，以及密歇根大学Van Vlack实验室在XRD测试方面的支持。我们还要感谢Thomas Kratofil在块体材料制备过程中提供的协助。

警告：请穿戴必要的个人防护装备（PPE），包括防滑鞋、长裤、护目镜、颗粒物过滤口罩、实验服和手套，因为氧化物粉末可能引起皮肤接触刺激和眼睛接触刺激。实验开始前，请查阅所有相关的材料安全数据表，以了解额外的个人防护装备要求。合成操作应在通风橱等工程控制设备中进行。
1. 熵稳定氧化物的批量合成
<ol>
	<li>组分氧化物粉末的质量计算
	<ol>
		<li>通过将所需体积乘以组成二元氧化物的平均密度来估算目标物的总质量。 
		<img alt="质量计算公式：m_tar = V_tar * ρ_avg；数学公式。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq3v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 3"> 
		<img alt="密度计算公式，ρ_avg=Σ(X_i*ρ_i)，用于确定平均密度的方程。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 4"> 
		其中 <img alt="静态平衡，ΣFx=0 方程，物理教学用公式示意图" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 5"> 和 <img alt="静态平衡；ΣFx=0；示意图；受力分析图；物理教学；矢量和平衡" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 6"> 摩尔分数和密度 <img alt='光的干涉，符号“i”，表示光波相互作用，用于物理学研究的示意图。' src="/files/ftp_upload/57746/57746eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 7">th 组分。对于直径为 1" (2.54 cm)、厚度为 ⅛" (0.3175 cm) 的样品，目标体积为 <img alt="静态平衡 ΣFx=0；矢量图；受力分析；物理学习；平衡条件" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 8">1.7 cm3.</li>
		<li>通过将目标质量除以各组成二元氧化物的平均摩尔质量，计算出每种组分所需的摩尔数。 
		<img alt="化学计量方程，\( n_i = \frac{m_{tar}}{M_{avg}} \times X_i \)，化学计算" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq9v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 9"> 
		<img alt="平均质量计算公式，ΣX_i * M_i，用于化学或物理分析的方程。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 10"> 
		其中 <img alt="静力平衡方程示意图；ΣFx=0，MA=0；力学系统分析" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 11"> 是该物质的摩尔质量 <img alt='光的干涉，符号“i”，描绘光波相互作用，用于物理学研究的示意图。' src="/files/ftp_upload/57746/57746eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 7">摩尔数的转换， <img alt="色谱图：蛋白质纯化方法，分离过程，分析技术" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 12">，再换算回克 
		<img alt="化学计量方程 \( m_i = n_i \times M_i \)，化学计算概念。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 13"> 
		注意：此处合成材料的组分质量及目标组成如下所示 表1 和 2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>氧化物粉末的预处理
	<ol>
		<li>用20 mL王水（HNO₃:HCl = 1:3）刻蚀清洗玛瑙研钵和研杵3 + 3 HCl）。将酸倒入研钵中，用研杵研磨，直至底部澄清。妥善处理废酸，并用水冲洗。</li>
		<li>将0.559 g MgO、1.103 g CoO、1.035 g NiO、1.103 g CuO和1.129 g ZnO（等摩尔配比）粉末加入洁净的研钵中混合。</li>
		<li>使用洁净的研杵，顺时针研磨粉末20圈，然后逆时针研磨20圈。重复此过程至少45分钟。用洁净的金属刮刀将研钵壁上的粉末刮下，并刷至研钵中心。 
		注意：当粉末混合并研磨至均匀、呈灰黑色、质地细腻且手感顺滑时，即为混合和研磨完成。</li>
		<li>将粉末转移至洁净且可密封的容器中，以便运输。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>陶瓷颗粒压片 
	警告：组装模具及使用压力机时，须佩戴手套和安全护目镜。模具的整个清洁和组装步骤均应在洁净的纸面上进行。所用组件如下图所示 图2.
	<ol>
		<li>润滑小底端冲头的侧面和内表面（标记为 C） 图2a 和 2b用矿物油填充模具，并将模具插入模筒，直至与底部齐平。</li>
		<li>将称量纸卷成筒状放入模具腔内，使模具的内壁被覆盖。将粉末倒入模具底部。在防止小冲头从模具中掉落的前提下，轻轻敲击台面使粉末中的气泡排出并使表面平整。小心取出称量纸。</li>
		<li>向模具腔内的粉末中加入少量丙酮以形成浆料。这有助于在靶材受压时实现晶粒流动，并抑制空隙的形成。</li>
		<li>润滑推杆的侧面和内表面（部件 B） 图2a 和 2b）中加入石蜡油，注意不要扰动粉末。将此部分插入模具中。按图示将组装好的模具放入压片机中 图2c，包括顶板和底板（D 部分） 图2a 和 2b）以提供一个平整的表面。</li>
		<li>将模具放入冷等静压机中。泵压至压力达到200 MPa。保持压力状态持续20分钟。随着粉末致密化，压力会随时间逐渐降低，需根据需要补充压力，以在整个压制过程中维持200 MPa的压力。擦去从模具中渗出的多余溶剂。</li>
		<li>释放压力。小心取下上、下压板。将取出套管和取出活塞按图示位置放置 图 2c缓慢加压，在暴露压制成型靶材之前，先将小型冲模部件从组件中取出。小心地加压组件，直至靶材从模具中露出。仔细取出素坯，并转移至坩埚中进行烧结。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>陶瓷烧结 
	警告：目标材料将从高温淬火。从高温炉中取出坩埚时，须佩戴耐热手套和面部防护罩。
	<ol>
		<li>获取一个可容纳压制成型粉末及一层2 mm厚的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）0.1–0.2 mm微珠的氧化铝坩埚。用YSZ微珠涂覆坩埚底部。 
		注意：涂层厚度应约为 2 mm，以确保靶材不与坩埚底部接触。</li>
		<li>缓慢而小心地将压好的靶材转移至坩埚中心。</li>
		<li>使用金属坩埚钳小心地将坩埚转移至烧结炉中。升高温度至 1100 °C 在 50 °C 分钟-1. 将靶材在 1,100 °C 在空气环境中。</li>
		<li>尽管在 1100 °C，将坩埚从炉中取出。用坩埚钳迅速将靶材浸入室温水中淬火。靶材将溅射约30秒，随后将其从水中取出并置于干燥处。</li>
		<li>待靶材冷却并干燥后，测量其密度并与理论值进行比较。 <img alt="ρ_avg 平均密度计算符号。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq14v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 14">，于第一部分中计算得出。使用之前用过的天平测量靶材的质量，并用游标卡尺测量其尺寸。实测密度与估算值的比值， <img alt="密度计算公式：(m_测量/V_测量)/ρ_平均，方程表示。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq15.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 15">，得到理论密度的百分比。 
		注意：合成后，密度通常约为理论密度的80%。</li>
		<li>对于更高密度，使用研钵和研杵重新研磨烧结后的靶材，并从步骤1.2.3开始重复块体合成程序。第二次烧结后，测定靶材的密度。 
		注意：通常测得的密度为 <img alt='数学符号“大于或等于”90%，以计算公式形式表示。' src="/files/ftp_upload/57746/57746eq16.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 16"> 理论密度，适用于脉冲激光沉积（PLD）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. ESO 单晶薄膜的脉冲激光沉积
<ol>
	<li>靶标制备
	<ol>
		<li>第1步合成的块体陶瓷片现在将用作沉积源（靶材）。使用碳化硅砂纸（粒度依次为320、600、800、1,200）以旋转方式对靶材进行抛光，直至表面呈现均匀的镜面光泽。</li>
		<li>将靶材放置于腔室内的旋转转盘上，并在光束路径末端的靶材上放置一块约 2 cm × 2 cm 的烧蚀纸。</li>
		<li>通过向目标发射单次激光脉冲，并测量在两个轴向上形成的烧蚀痕迹，来测定激光光斑尺寸。如果光斑尺寸不正确，则调整聚焦透镜（图3a调整测量光斑尺寸，直至形成一个椭圆形，其两个轴向的尺寸分别为0.27 cm × 0.24 cm。</li>
		<li>移除灼烧纸并关闭舱门以进行抽气。使用干式旋片粗抽泵将腔室抽真空至6.7 Pa，随后启动涡轮分子泵，使其转速升至1,000 Hz。</li>
		<li>将腔室抽真空至至少 1.3 x 10⁻³ Pa 的基础压力-5 通过电离规测量压强。达到所需真空度后，将涡轮泵转速降至200 Hz，以便在生长过程中使用工艺气体。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>基底制备
	<ol>
		<li>将单晶、单面抛光、厚度为0.5 mm的MgO基底依次在半导体级三氯乙烯（TCE）、半导体级丙酮和高纯异丙醇（IPA）中各超声清洗2分钟。</li>
		<li>用超干燥的压缩 N₂ 吹走底物2 气体，并将基底固定到基底托盘上（图3b) 涂抹少量导热银漆。将基底和压板加热至 °C 在加热板上加热10分钟以固化银浆。</li>
		<li>使用外部传输工具，将基底支架放置于腔室负载锁中的传输臂上，然后密封腔室并抽真空至压力至少达到 1.3 x 10-4 Pa.</li>
		<li>通过打开两者之间的闸阀，并使用传输臂将基底托盘放置在加热组件上，将基底转移至生长室中。</li>
		<li>将传输臂缩回负载锁中并关闭闸阀。通过腔室顶部的螺钉组件降低加热器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>激光能量与能量密度 
	注意：沉积由248 nm KrF脉冲准分子激光器的辐照实现。激光脉冲宽度约为20 ns。
	<ol>
		<li>使用能量计测量激光能量，将能量计置于光路中，紧靠腔室入口前图3a）。以 2 Hz 的频率用 50 个脉冲照射光电二极管，测定平均能量。</li>
		<li>调节激光器的激发电压，直至平均脉冲能量达到310 mJ，稳定性在±10 mJ范围内。将能量计从光路中移除，使激光进入腔室。 
		注意：使用10%的激光衰减并通过腔室窗口时，上述配置可提供2.55 J cm的注量-2本工作中的基底-靶材距离为7 cm。不同的基底-靶材间距可能会改变最佳沉积条件和生长速率。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>沉积
	<ol>
		<li>生长前，将衬底加热至 1,000 °C 30分钟内以一定速率 30 °C 分钟-1 在真空中脱羟基化MgO晶体表面。降低温度至 300 °C 在 30° 分钟-1 并静置平衡10分钟。 
		注意：我们报告的温度由加热块内的热电偶测定。</li>
		<li>流速超纯（99.999%）O₂2 向腔室内通入气体，使压力达到6.7 Pa。 
		注意：当氧气通入腔室时，使用巴罗特隆压力计测量压力。气体通过质量流量控制器引入，作为闭环系统的一部分，在生长过程中稳定腔室压力。</li>
		<li>清除靶材表面残留的污染物，并通过预溅射处理为生长做好准备。将选定的靶材设置为光栅扫描并旋转，以确保激光不会每次都轰击同一位置；确保基底快门处于关闭状态，然后以5 Hz的频率对靶材进行2,000次脉冲的溅射。 
		注意：靶材现已准备就绪，系统已达到沉积所需的正确条件（温度、压力、能量密度）。</li>
		<li>在沉积前打开快门。在此条件下，以6 Hz频率进行10,000次脉冲可生成约80 nm厚的薄膜。 
		注意：该生长速率在先前的研究中通过X射线反射率测定16.</li>
		<li>沉积后，将氧分压升高至133 Pa（1.0 torr），以抑制氧空位的形成。随后降低样品温度至 40 °C 在 10 °min⁻¹。一旦 40 °C 当达到设定条件时，关闭氧气气流，在压力稳定后，打开生长室与负载锁之间的闸阀。升起加热器，使用转移臂将基片托盘从组件中取出，移回负载锁内。</li>
		<li>将负载锁释放至大气压，使用外部传输工具取出样品。用剃刀片将样品从压板上取下，并对压板进行抛光，以去除残留的银漆和沉积材料。从步骤2.2开始重复上述操作，进行额外的薄膜生长。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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<li>Gruenewald, J. H., Nichols, J., Seo, S. S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsed+laser+deposition+with+simultaneous+in+situ+real-time+monitoring+of+optical+spectroscopic+ellipsometry+and+reflection+high-energy+electron+diffraction%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">Pulsed laser deposition with simultaneous in situ real-time monitoring of optical spectroscopic ellipsometry and reflection high-energy electron diffraction.</a> Rev Sci Instrum. 84 (4), 043902(2013).</li>
<li>MDC Vacuum Products | Vacuum Components, Chambers, Valves, Flanges & Fittings. , 
 <a target="_blank" href="https://mdcvacuum.com/DisplayContentPageFull.aspx?cc=b8ca254a-cdc0-4b71-8603-af10ce18bbcb">https://mdcvacuum.com/DisplayContentPageFull.aspx?cc=b8ca254a-cdc0-4b71-8603-af10ce18bbcb</a> (2018).</li>
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</ol>

我们没有需要披露的内容。

我们描述并展示了一种用于合成体相高质量单晶薄膜的方案，材料为(Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O（x = 0.20、0.27、0.33）和(Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O（x = 0.11、0.27）的熵稳定氧化物。我们预计，随着该领域的不断发展和拓展，这些合成技术可广泛适用于更多新发现的熵稳定氧化物体系。此外，成分可调的熵稳定氧化物的合成，为研究结构无序和化学无序对功能特性的影响提供了有效平台。
尽管本方案可制备出单相且高质量的熵稳定氧化物，但该技术仍存在一定的局限性，且可对合成方法进行改进，以更深入地理解材料特性并提高合成的可重复性。以下将概述该方案中的关键步骤、可能的改进方法、故障排除措施、技术局限性、相对于现有方法的意义，以及该...

自2004年发现高熵金属合金以来，高熵材料因其硬度1,2,3、韧性4,5和耐腐蚀性3,6等优异性能而受到广泛关注。近年来，高熵氧化物7,8和高熵硼化物9相继被发现，为材料研究者提供了广阔的研究空间。其中，氧化物尤其能够展现出铁电性10、磁电耦合性11,12、热电性13和超导性14等有用且动态的功能特性。尽管存在显著的结构无序性，最近研究表明熵稳定氧化物（ESOs）仍具有有趣的、依赖于成分的功能特性15,16，使得这类新型材料尤为引人注目。
熵稳定材料是一类化学均质、多组分（通常包含五种或更多组元）、单相材料，其中构型熵的贡献在稳定其晶体结构方面起着关键作用。<img alt="静态平衡，ΔS_conf，方程，热力学熵变，分子构型" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1">) 与吉布斯自由能 (<img alt="热力学方程 ΔGf = ΔH - TΔSconf，用于生化过程分析中的符号公式。" src="/files/ftp_upload/57746/57746eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2">足以促进单相固溶体的形成17多组分ESO的合成过程中，阳离子在阳离子位点上呈现构型无序，需对组分、温度、沉积速率、淬火速率及淬火温度进行精确控制。7,16该方法旨在使操作者能够合成相纯且化学均一的熵稳定氧化物陶瓷块体，以及相纯、单晶、平整的所需化学计量比的薄膜。所合成的块体材料密度可超过理论密度的90%，可用于研究其电子、磁性和结构特性，或作为薄膜物理气相沉积（PVD）技术的源材料。由于本研究所涉及的熵稳定氧化物包含五种阳离子，采用五种源材料的薄膜PVD技术（如分子束外延（MBE）或共溅射）在沉积过程中会面临通量漂移问题，难以获得化学均一的薄膜。本实验方案利用单一材料源，成功制备出化学均一、单晶、平整（均方根（RMS）粗糙度约为0.15 nm）且具有标称化学组成的熵稳定氧化物薄膜。该薄膜合成方案可通过引入 原位 用于实时监测合成过程及精细质量控制的电子或光学表征技术。该方法的预期局限性主要源于激光能量漂移，这可能会限制高质量薄膜的厚度低于 1 μm.
尽管在氧化物薄膜材料的生长与表征方面已取得显著进展10,18,19,20,21，氧化物中立体化学与电子结构之间的关联仍可能导致最终材料出现显著差异，而这些差异源于看似微不足道的方法学差别。此外，多组分熵稳定氧化物领域尚处于初期阶段，目前文献中仅报道了两例薄膜合成工作7,16。熵稳定氧化物（ESO）特别适用于该过程，可规避化学气相沉积和分子束外延所面临的一些挑战。本文提供了一套详细的块体及薄膜ESO的合成方案（图1），旨在减少材料加工中的困难、避免性能的非预期变化，并推动该领域的发现进程。

<table><tbody><tr><td>氧化镁 99.95%</td><td>Fisher</td><td>AA1468422</td><td></td></tr><tr><td>氧化钴(II)，99.995%</td><td>Fisher</td><td>AA4435414</td><td></td></tr><tr><td>氧化镍(II) 99.998%</td><td>Fisher</td><td>AA1081914</td><td></td></tr><tr><td>氧化铜(II) 99.995%</td><td>Fisher</td><td>AA1070014</td><td></td></tr><tr><td>氧化锌 99.99%</td><td>Fisher</td><td>AA8781230</td><td></td></tr><tr><td>三氯乙烯 半导体级 9</td><td>Fisher</td><td>AA39744K7</td><td></td></tr><tr><td>丙酮 半导体级 99.5%</td><td>Fisher</td><td>AA19392K7</td><td></td></tr><tr><td>2-丙醇 ACS 99.5%</td><td>Fisher</td><td>A416S4</td><td></td></tr><tr><td>矿物油，纯品</td><td>Acros Organics</td><td>AC415080010</td><td></td></tr><tr><td>氧化铝坩埚</td><td>MTI Corporation</td><td>eq-ca-l50w40h20</td><td></td></tr><tr><td>氧化锆（YSZ）研磨介质</td><td>Inframat Advanced Materials</td><td>4039GM-S010</td><td></td></tr><tr><td>碳化硅砂纸 320/600/800/1200</td><td>South Bay Technology</td><td>SDA08032-25</td><td></td></tr><tr><td>MgO (100) 基片，5×5×0.5 mm，1SP</td><td>MTI Corporation</td><td>MGa050505S1</td><td></td></tr><tr><td>高纯压缩氧气，99.999%</td><td>Cryogenic Gases</td><td>OXYUHP</td><td></td></tr><tr><td>超干燥压缩氮气</td><td>Cryogenic Gases</td><td>NITEX</td><td></td></tr></tbody></table>

成分可变的熵稳定氧化物的块体与薄膜合成

Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides

本文介绍了一种用于合成块体和薄膜多组分（Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O（Co 变体）和（Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O（Cu 变体）熵稳定氧化物的实验方法。通过该方法合成了物相纯净且化学成分均匀的（Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O（x = 0.20、0.27、0.33）和（Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O（x = 0.11、0.27）陶瓷靶材，并将其用于制备高质量、物相纯净、单晶结构的目标化学计量比薄膜。文中详细描述了在（001）取向的 MgO 衬底上，采用脉冲激光沉积法生长表面平整、化学均匀的熵稳定氧化物薄膜的具体工艺。通过 X 射线衍射对块体材料和薄膜材料的物相结构与结晶性进行了表征；利用 X 射线光电子能谱和能量色散 X 射线光谱验证了其化学成分与均匀性；采用扫描探针显微技术测量了薄膜的表面形貌。高质量单晶熵稳定氧化物薄膜的制备，为研究这一类高度无序氧化物材料中界面、尺寸、应变和无序效应对材料性能的影响提供了可能。

对制备的 (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O（x = 0.20、0.27、0.33）和 (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O（x = 0.11、0.27）块体陶瓷（图4a）以及沉积的薄膜（图4b）进行了X射线衍射（XRD）谱分析。这些数据表明样品为单相，可用于晶格常数、晶体质量和薄膜厚度的测定。采用X射线光电子能谱（XPS）（图5）和原子力显微镜（AFM）（图6）分析，以确定靶材和薄膜的名义成...

介绍了高质量块体和薄膜(Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O及(Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O熵稳定氧化物的合成方法。

此处，我们介绍一种用于合成块体及薄膜多组分（Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)）O（Co 变体）及其他...

该实验流程有助于解答功能氧化物领域中的关键科学问题，例如化学与物理无序如何直接影响长程磁性。该技术的主要优势在于能够对材料化学性质进行高度调控，并可应用于多种外延应变氧化物（ESO）组分。本实验流程由本实验室的研究生 Peter Meisenheimer 示范展示。首先，研磨所需的氧化物粉末，并使用模具压机将粉末压制成坯体以形成靶材。在空气中将靶材于 1,100 摄氏度下烧结 24 小时。然后，在仍保持 1,100 摄氏度时，从炉中取出盛有靶材的坩埚。使用坩埚钳将靶材放置在相同的耐热表面上。等待靶材停止发光后，迅速将其浸入室温水中进行淬火。当靶材不再发生溅射时，将其从水中取出，并放置一旁自然晾干。待靶材冷却并干燥后，计算其靶材密度及理论密度百分比。若测得的密度不满足脉冲激光沉积的要求，则需将靶材重新研磨并再次烧结。根据需要，可按此方法制备额外的靶材。使用碳化硅砂纸以逐渐细化的粒度，按圆形轨迹对每个靶材进行抛光，直至表面呈现均匀的镜面光泽。将抛光后的靶材存放于干燥器中，待准备进行脉冲激光沉积实验时取出。确保已准备好波长为248纳米、脉冲宽度约为20纳秒的氟化氪脉冲准分子激光器以供使用。将抛光后的靶材放置于沉积室内的旋转转盘上。在光束路径末端的靶材上放置一块 2 厘米 × 2 厘米的烧蚀纸。发射一次激光脉冲，并测量在两个轴向上形成的烧蚀痕迹。调节聚焦透镜，直至光束脉冲形成一个0.27厘米×0.24厘米的椭圆。然后取下烧纸，关闭腔室门。使用干式旋片粗抽泵将腔室抽真空至0.5托（67帕斯卡）。然后将涡轮泵加速至 1,000 赫兹，并将沉积室抽真空至基础压力至少达到 10 的负 7 次方托（torr）或 1.3 × 10⁻⁵ 帕斯卡（pascal），该压力由电离规测量确定。达到该压力后，将涡轮泵转速降至 200 赫兹。接下来，将单晶单面抛光的氧化镁基底分别在半导体级三氯乙烯、半导体级丙酮和高纯异丙醇中各超声处理两分钟。使用超干燥的压缩氮气吹干基底。用少量导热银胶将基底固定在基底加热台（substrate platen）上。将基底和加热台置于加热板上，在100摄氏度下加热10分钟，以固化银胶。使用外部传输工具将基底托盘放置在脉冲激光沉积（PLD）系统的负载锁中的传输臂上。关闭负载锁，并将其抽真空至至少10⁻⁷托（1.3×10⁻⁵帕）或更低。然后打开负载锁与沉积室之间的闸阀，利用传输臂将托盘安装到加热组件上。将传输臂缩回负载锁并关闭闸阀。降低加热器，使衬底与目标之间的距离为七厘米。接下来，将能量计放置在进入腔室前的光束路径上。以每秒两个脉冲的频率，用激光脉冲照射能量计上的光电二极管，共照射50次，测定平均能量。调节激光激发电压，使脉冲平均能量达到310毫焦，稳定性控制在±10毫焦范围内。完成后移除能量计。在真空条件下，以每分钟30摄氏度的速率将基底加热至1,000摄氏度。在此温度下保持基底30分钟，以脱除氧化镁晶体表面的羟基。随后，以每分钟30摄氏度的速率将基底冷却至300摄氏度，并使基底在该温度下平衡10分钟。当氧分压稳定后，设定所需的目标靶材进行光栅扫描和旋转，并确保基底快门处于关闭状态。以5赫兹的频率对靶材进行2,000次脉冲烧蚀。然后打开基底快门，以6赫兹的频率发射激光10,000次，从而在基底上沉积一层厚度约为80纳米的熵稳定氧化物薄膜。沉积完成后，将腔室中的氧分压升高至1托（133帕斯卡），以抑制氧空位的形成。以每分钟10摄氏度的速率将样品冷却至40摄氏度。然后关闭氧气气流，使腔室压力稳定。打开闸阀，升起加热器，使用传输臂将基片托盘移入负载锁。关闭闸阀，向负载锁充气至大气压。使用外部传输工具取出基片托盘。使用剃刀刀片将样品与载物台分离。实验结束后，对载物台进行抛光，以去除银漆和沉积材料。块体陶瓷形式的钴变体和铜变体熵稳定氧化物的θ-2θ X射线衍射结果显示，所合成的样品具有岩盐结构，且无次要相存在。沉积的薄膜为单晶结构，并且相对于取向为零-零-一的氧化镁衬底呈外延生长，这由仅观察到薄膜的零-零-二和零-零-四衍射峰所证实。在这些衍射峰周围观察到劳厄条纹，表明薄膜具有高质量的晶体结构以及平整的界面。振荡周期对应于薄膜厚度约为80纳米。X射线光电子能谱显示，其组成阳离子处于+2氧化态，若适用，则为高自旋态。由这些谱图计算得到的成分与标称成分相符，误差小于1%。能量色散X射线光谱图与标称成分一致，表明薄膜在化学上是均匀的。原子力显微镜显示，薄膜在5微米×5微米的扫描范围内平坦，其均方根粗糙度达到亚晶胞级别。小角度θ-2θ X射线衍射数据与这些粗糙度数值相符。所有薄膜的峰谷粗糙度均约为3.3埃。熵稳定氧化物是一个具有许多理想特性的新兴研究领域。观看本视频后，您应能够充分理解如何合成块体和薄膜形式的熵稳定氧化物材料。脉冲激光沉积（PLD）是制备高质量单晶薄膜的理想方法，可用于研究奇异的功能特性，因此是开展薄膜熵稳定氧化物研究的最佳技术。

bulk-thin-film-synthesis-compositionally-variant-entropy-stabilized

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

组分变熵稳定氧化物的体积和薄膜合成

我们介绍了利用脉冲激光沉积（PLD）、光刻和引线键合技术制备微米尺度复杂氧化物器件的方法。采用脉冲激光沉积技术生长外延薄膜，结合光刻和引线键合技术，用于制备可用于测量的实用器件。...

空间受限复杂氧化物的制备

本文概述了多种用于制备原子级定义模板的方法，以用于复杂氧化物薄膜的外延生长。通过对单晶 SrTiO3 (001) 和 DyScO3 (110) 衬底进行化学处理，获得原子级平整且单一终止的表面。采用 Ca2 Nb3 O10-...

原子级定义模板用于复杂氧化物薄膜的外延生长

以可视化形式展示了一种“可去除陶瓷涂层方法”，用于合成具有可调尺寸和晶体结构的非烧结、金属端接的单金属和双金属早期过渡金属碳化物和氮化物纳米颗粒。...

反相微乳液介导合成单金属与双金属早期过渡金属碳化物及氮化物纳米颗粒

本文介绍了一种通过表面活性剂辅助溶胶-凝胶法制备多孔钛酸钡（BaTiO3）薄膜的实验方案，该方法利用自组装的两亲性表面活性剂胶束作为有机模板。...

多孔钛酸钡薄膜的化学合成及通过孔隙诱导应变实现铁电相的热稳定化

金属有机框架材料在气体储存和多相催化方面具有高效性，但传统的合成方法通常得到松散的粉末，难以整合到智能材料中。我们展示了一种方法：首先通过原子层沉积（ALD）在织物上涂覆金属氧化物，随后在溶剂热合成过程中，可在织物表面形成保形的金属有机框架（MOF）薄膜。...

在纤维垫上原子层沉积金属氧化物涂层后通过溶热法合成MIL-96和UiO-66-NH2

本文展示了一种独特的、相对低温的熔盐合成方法，用于制备均匀的复合金属氧化物镧铪酸盐纳米颗粒。...

熔盐法合成复杂金属氧化物纳米颗粒

氧化物材料表现出多种可通过调节氧含量来控制的奇异特性。在此，我们通过改变脉冲激光沉积参数以及进行退火处理，实现对氧化物中氧含量的调控。以 SrTiO3...

通过生长与退火过程中的氧空位调控来调节氧化物性质

本文介绍了一种通过反应溅射在不同氧气流量条件下制备五氧化二铌薄膜的实验方案，该薄膜可用于钙钛矿太阳能电池中的电子传输层。...

反应溅射沉积的氧化铌薄膜：氧气流量的影响

目标合成新的金属有机框架（MOFs）具有挑战性，其发现依赖于化学家的知识与创造力。高通量方法能够快速高效地探索复杂的合成参数空间，从而加速结晶化合物的发现，并促进合成与结构规律的识别。...

利用高通量方法发现并优化基于异网状Al(III)膦酸盐的金属-有机框架化合物的合成

在玻璃基板上制备多晶硅薄膜太阳能电池，通过沉积掺硼和掺磷的硅层，随后进行晶化、缺陷钝化和金属化。通过在硅电池表面形成银纳米颗粒，并在其上覆盖一层漫反射层，引入等离激元光捕获结构，可实现约45%的光电流增强。...

具有等离激元增强型光捕获的多晶硅薄膜太阳能电池

学习高熵氧化物块体与薄膜的合成方法，通过研磨、压制和高温烧结制备(MgCoNiCuZn)O靶材，并利用脉冲激光沉积技术生长高质量外延薄膜。该方法具有高度可调性，适用于探索化学无序对长程磁性的影响，为功能氧化物研究提供重要工具。

成分可变的熵稳定氧化物的块体与薄膜合成

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