Bulk- und Dünnschicht-Synthese von kompositorisch Variante Entropie-stabilisierten Oxide

Dieses Verfahren kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in der Gemeinschaft der funktionellen Oxide zu beantworten, z. B. wie sich chemische und physikalische Störungen direkt auf den langreichweitigen Magnetismus auswirken. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie ein hohes Maß an Abstimmbarkeit in der Materialchemie ermöglicht und auf eine Vielzahl von ESO-Zusammensetzungen angewendet werden kann. Das Verfahren wird von Peter Meisenheimer, einem Doktoranden in meinem Labor, demonstriert.

Mahlen Sie zunächst die erforderlichen Oxidpulver und verwenden Sie eine Matrizenpresse, um das Pulver zu einem Pellet zu komprimieren, um das Ziel zu bilden. Sintern Sie das Ziel 24 Stunden lang bei 1.100 Grad Celsius an der Luft. Dann, noch bei 1.100 Grad Celsius, nehmen Sie den Tiegel mit dem Target aus dem Ofen.

Platzieren Sie das Ziel mit einer Zange auf derselben hitzebeständigen Oberfläche. Warten Sie, bis das Ziel aufhört zu glühen, und löschen Sie das Ziel schnell in Wasser mit Raumtemperatur ab. Wenn das Target nicht mehr stottert, nehmen Sie das Target aus dem Wasser und legen Sie es zum Trocknen an der Luft beiseite.

Sobald das Ziel abgekühlt und trocken ist, berechnen Sie die Zieldichte und die prozentuale theoretische Dichte. Wenn die gemessene Dichte für das gepulste Laseraufscheiden nicht ausreicht, schleifen und harzen Sie das Target. Bereiten Sie auf diese Weise wie gewünscht weitere Ziele vor.

Polieren Sie jedes Ziel in kreisenden Bewegungen mit immer feineren Körnungen aus Siliziumkarbidpapier, bis die Oberfläche reflektierend und gleichmäßig ist. Lagern Sie die polierten Targets in einem Exsikkator, bis Sie mit der gepulsten Laserabscheidung beginnen können. Stellen Sie sicher, dass ein 248-Nanometer-Krypton-Fluorid-gepulster Excimer-Laser mit einer gepulsten Breite von etwa 20 Nanosekunden einsatzbereit ist.

Platzieren Sie die polierten Targets auf dem rotierenden Karussell in der Abscheidungskammer. Legen Sie ein zwei mal zwei Zentimeter großes Stück Brennpapier auf das endgültige Ziel im Strahlengang. Pulsieren Sie den Laser einmal und messen Sie die resultierende Brandspur über beide Achsen.

Stellen Sie die Fokussierlinse so ein, dass der Strahlimpuls eine Ellipse von 0,27 x 0,24 Zentimetern erzeugt. Entfernen Sie dann das Brennpapier und schließen Sie die Kammertür. Evakuieren Sie die Kammer auf 0,5 Torr oder 67 Pascal mit einer trocken scrollenden Schrupppumpe.

Dann dreht man die Turbopumpe auf 1.000 Hertz hoch und pumpt die Abscheidungskammer auf einen Basisdruck von mindestens 10 auf die negative siebte Torr oder 1,3 mal 10 auf die negative fünfte Pascal herunter, gemessen mit einem Ionisationsmessgerät. Sobald dieser Druck erreicht ist, reduzieren Sie die Turbopumpe auf 200 Hertz. Als nächstes wird ein einkristallines, einseitig poliertes Magnesiumoxidsubstrat jeweils zwei Minuten lang in Trichlorethylen in Halbleiterqualität, Aceton in Halbleiterqualität und hochreinem Isopropylalkohol beschallt.

Trocknen Sie das Substrat mit ultratrockenem, komprimiertem Stickstoffgas. Verwenden Sie eine kleine Menge wärmeleitender Silberfarbe, um den Untergrund auf einer Untergrundplatte zu fixieren. Erhitzen Sie den Untergrund und die Platte auf einer heißen Platte 10 Minuten lang auf 100 Grad Celsius, um die Farbe auszuhärten.

Platzieren Sie die Substratplatte mit dem externen Transferwerkzeug auf dem Transferarm in der Schleuse des PLD. Schließen Sie die Lastschleuse und pumpen Sie sie auf mindestens 10 bis zum siebten Torr oder 1,3 mal 10 auf das negative fünfte Pascal herunter. Öffnen Sie dann den Absperrschieber zwischen der Schleuse und der Abscheidekammer und verwenden Sie den Transferarm, um die Platte an der Heizeinheit zu montieren.

Ziehen Sie den Transferarm in die Lastschleuse ein und schließen Sie den Absperrschieber. Senken Sie die Heizung ab, um einen Substratzielabstand von sieben Zentimetern zu erreichen. Platzieren Sie als Nächstes einen Energiemesser im Strahlengang direkt vor der Kammer.

Bestrahlen Sie die Fotodiode auf dem Messgerät mit 50 Laserpulsen mit einer Rate von zwei Hertz und ermitteln Sie die mittlere Energie. Stellen Sie die Laseranregungsspannung so ein, dass eine durchschnittliche Pulsenergie von 310 Millijoule mit einer Stabilität von plus oder minus 10 Millijoule erreicht wird. Entferne den Energiezähler, wenn du fertig bist.

Erhitzen Sie das Substrat auf 1.000 Grad Celsius bei 30 Grad Celsius pro Minute unter Vakuum. Halten Sie das Substrat 30 Minuten lang auf dieser Temperatur, um die Oberfläche des Magnesiumoxidkristalls zu enthydroxylieren. Anschließend kühlen Sie das Substrat auf 300 Grad Celsius bei 30 Grad Celsius pro Minute ab und lassen Sie das Substrat 10 Minuten lang bei dieser Temperatur äquilibrieren.

Sobald der Sauerstoffpartialdruck stabil ist, stellen Sie das gewünschte Ziel auf Rastern und Drehen ein und stellen Sie sicher, dass der Substratverschluss geschlossen ist. Abtragen des Ziels für 2.000 Impulse mit einer Geschwindigkeit von fünf Hertz. Öffnen Sie dann den Substratverschluss, pulsieren Sie den Laser 10.000 Mal mit sechs Hertz, um einen etwa 80 Nanometer dicken, entropiestabilisierten Oxidfilm auf dem Substrat abzuscheiden.

Nach Beendigung der Abscheidung wird der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer auf einen Torr oder 133 Pascal erhöht, um die Bildung von Sauerstofflücken zu verhindern. Kühlen Sie die Probe auf 40 Grad Celsius bei 10 Grad Celsius pro Minute ab. Schließen Sie dann den Sauerstoffgasfluss und lassen Sie den Kammerdruck stabilisieren.

Öffnen Sie den Absperrschieber, heben Sie die Heizung an und fahren Sie mit dem Transferarm die Substratplatte in die Schleuse. Schließen Sie den Absperrschieber und entlüften Sie die Schleuse auf Atmosphärendruck. Entfernen Sie die Substratplatte mit dem externen Transferwerkzeug

Verwenden Sie eine Rasierklinge, um die Probe und die Platte zu trennen. Polieren Sie die Walze, um Silberfarbe und abgelagertes Material zu entfernen, wenn sie fertig ist. Zwei Theta-Omega-Röntgenbeugungen von entropiestabilisierten Oxiden der Kobalt- und Kupfervariante als Volumenkeramik zeigten, dass die synthetisierten Proben die Steinsalzstruktur ohne Sekundärphasen aufwiesen.

Die abgeschiedenen Schichten waren einkristallin und epitaktisch zum Null-Null-Eins-orientierten Magnesiumoxidsubstrat, wie nur die beobachteten Null-Null-Zwei- und Null-Null-Vier-Filmpeaks zeigen. Um diese Peaks herum wurden Laue-Streifen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Schichten von hoher kristalliner Qualität mit glatten Grenzflächen waren. Die Schwingungsperiode stimmte mit einer Schichtdicke von etwa 80 Nanometern überein.

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigte, dass sich ihre konstituierenden Kationen in der Oxidationsstufe zwei plus befanden und, falls zutreffend, einen hohen Spin aufwiesen. Die aus diesen Spektren berechneten Zusammensetzungen stimmten mit weniger als 1 % Fehler mit den nominalen Zusammensetzungen überein. Energiedispersive Röntgenspektroskopie-Karten stimmten mit der nominalen Zusammensetzung überein und zeigten, dass die Filme chemisch homogen waren.

Die Rasterkraftmikroskopie zeigte, dass die dünnen Schichten über einen Scanbereich von fünf Mikrometern x fünf Mikrometern flach waren, wobei die mittleren quadratischen Rauheitswerte der Untereinheitszellen gemessen wurden. Zwei-Theta-Omega-XRD-Daten mit niedrigem Winkel stimmten mit diesen Rauheitszahlen überein. Die Spitz-zu-Spitze-Rauheit betrug bei allen Schichten etwa 3,3 Angström.

Entropiestabilisierte Oxide sind ein im Entstehen begriffenes Forschungsgebiet mit vielen wünschenswerten Eigenschaften. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man entropiestabilisierte Oxidmaterialien in großen und dünnen Schichten synthetisiert. PLD ist eine ideale Methode für die Abscheidung hochwertiger einkristalliner Dünnschichten zur Untersuchung exotischer Funktionalitäten und damit die beste Technik, um die Untersuchung von entropiestabilisierten Dünnschichtoxiden zu erleichtern.