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

该程序可以帮助回答功能氧化物群落中的关键问题，例如化学和物理无序如何直接影响长程磁性。这种技术的主要优点是允许在材料化学中实现很大程度的可调性，并且可以应用于各种 ESO 成分。演示该程序的是 Peter Meisenheimer，我实验室的一名研究生。

首先，研磨所需的氧化物粉末，并使用模压机将粉末压缩成颗粒以形成目标。将目标物在 1， 100 摄氏度的空气中烧结 24 小时。然后，在 1， 100 摄氏度的情况下，从炉中取出装有靶材的坩埚。

使用钳子将目标物放置在相同的耐热表面上。等待目标停止发光，然后在室温水中快速淬灭目标。当靶材不再溅射时，将靶材从水中取出并放在一边风干。

目标冷却干燥后，计算目标密度和理论密度百分比。如果测得的密度不足以进行脉冲激光沉积，则对目标物进行重新研磨和树脂处理。根据需要以这种方式准备其他目标。

使用逐渐细的碳化硅纸以圆周运动抛光每个目标，直到表面具有反射性和均匀性。将抛光的目标储存在干燥器中，直到准备好开始脉冲激光沉积程序。确保脉冲宽度约为 20 纳秒的 248 纳米氪氟脉冲准分子激光器可供使用。

将抛光的目标放在沉积室的旋转转盘上。将一张 2 x 2 厘米的烧纸放在光束路径中的最终目标上。脉冲激光一次，然后测量两个轴上产生的烧痕。

调整聚焦透镜，直到光束脉冲产生 0.27 x 0.24 厘米的椭圆。然后取出烧录纸并关闭腔室门。使用干式涡旋粗抽泵将腔室抽真空至 0.5 torr 或 67 pascals。

然后将涡轮泵旋转至 1， 000 赫兹，并将沉积室抽真空至至少 10 至负 7 托或 1.3 乘以 10 至负 5 帕斯卡，如电离计测量。达到该压力后，将涡轮分子泵降至 200 赫兹。接下来，在半导体级三氯乙烯、半导体级丙酮和高纯度异丙醇中对单个结晶单面抛光氧化镁基材进行超声处理，每次 2 分钟。

用超干燥的压缩氮气干燥基材。使用少量导热银涂料将基板固定在基板压板上。将基材和压板在热板上加热 100 摄氏度 10 分钟以固化油漆。

使用外部传输工具将基板压板放置在 PLD 负载锁中的传输臂上。关闭负载锁并抽真空至至少 10 至 7 托或 1.3 乘以 10 至负 5 帕斯卡。然后打开负载锁和沉积室之间的闸阀，并使用传输臂将压板安装在加热器组件上。

将传输臂缩回负载锁中并关闭闸阀。降低加热器以达到 7 厘米的基板目标距离。接下来，在腔室前面的光束路径中放置一个能量计。

以 2 赫兹的速率用 50 个激光脉冲照射仪表上的光电二极管，并确定平均能量。调整激光激发电压以获得 310 毫焦耳的平均脉冲能量，稳定性为正负 10 毫焦耳。完成后取下能量计。

在真空下以每分钟 30 摄氏度的速度将基材加热到 1， 000 摄氏度。将基材在该温度下保持 30 分钟，以使氧化镁晶体表面脱离羟基。然后，以每分钟 30 摄氏度的速度将底物冷却至 300 摄氏度，并让底物在该温度下平衡 10 分钟。

氧分压稳定后，将所需的目标设置为光栅并旋转，并确保基板快门关闭。以 5 赫兹的速率烧蚀目标 2， 000 个脉冲。然后打开基板快门，以 6 赫兹的频率脉冲激光 10， 000 次，在基板上沉积一层大约 80 纳米厚的熵稳定氧化膜。

沉积完成后，将腔室中的氧分压增加到 1 托或 133 帕斯卡，以抑制氧空位的形成。以每分钟 10 摄氏度的速度将样品冷却至 40 摄氏度。然后关闭氧气流量，让腔室压力稳定下来。

打开闸阀，升起加热器，然后使用传输臂将基板移动到负载锁中。关闭闸阀并将负载锁排放至大气压。使用外部传输工具去除基板。

使用剃须刀片将样品和压板分开。完成后，抛光压板以去除银漆和沉积材料。钴变体和铜变体熵稳定氧化物作为块状陶瓷的双 θ-omega X 射线衍射表明，合成样品是没有第二相的岩盐结构。

沉积的薄膜是单晶和外延的，与零零一取向的氧化镁衬底相同，仅观察到零零零二和零零零四的薄膜峰。在这些峰周围观察到 Laue 条纹，表明薄膜具有高结晶质量和光滑界面。振荡周期与大约 80 纳米的薄膜厚度一致。

X 射线光电子能谱显示它们的组成阳离子处于二加氧化态，并且如果适用，则为高自旋。根据这些光谱计算的成分与标称成分相匹配，误差小于 1%。能量色散 X 射线光谱图与标称成分一致，并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 x 5 微米的扫描范围内是平坦的，具有亚基细胞均方根粗糙度值。低角度 2θ 欧米伽 XRD 数据与这些粗糙度数字一致。所有胶片的峰峰值粗糙度约为 3.3 埃。

熵稳定氧化物是一个新兴的研究领域，具有许多理想的特性。看完这个视频，你应该对如何合成块状和薄膜熵稳定的氧化物材料有很好的了解。PLD 是沉积高质量单晶薄膜以研究奇异官能团的理想方法，因此是促进薄膜熵稳定氧化物研究的最佳技术。