תדר רדיו מגנטרון התזה של GdBa2Cu3O7−אלפא/ La0.67Sr0.33המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית3 bilayer קוואזי סרטים על מצעים יחיד-קריסטל3 (STO) SrTiO
12 באפריל 2019
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לגדול LSMO חלקיקים, (Gd) בוסקו סרטים על SrTiO (001)3 (STO) מצעים יחיד-קריסטל על ידי גלי רדיו (RF)-התזה.
שיטה זו יכולה ליצור את חלקיקי LSMO באופן אחיד על מצע STO עם גביש יחיד. כמו כן, ניתן להשיג את הסרט GBCO באמצעות אותה שיטה באותו תא ואקום. היתרון העיקרי של טכנולוגיה זו הוא כי חלקיקים LSMO עם גודל אחיד סרט GBCO מוליכים-על באיכות גבוהה ניתן להפקיד באותו תא ואקום.
שיטה זו יכולה לספק תובנה על אזור תצהיר הסרט, אזור גידול חלקיקים, וכולי. זה יכול להיות מיושם גם על תצהיר סרט מתכת, תצהיר ננו-חלקיקי מתכת, וכולי. שיטה זו תאפשר לחוקרים להכיר ציוד ואקום וללמוד עוד על טכנולוגיית צמיחת סרטים.
ראשית, תחמוצת סטרונציום טיטניום נקייה ברצף מצעים חד-גבישיים ב- isopropanol ומים deionized במשך 10 דקות כל אחד בטמפרטורת החדר באמבט קולי. לאחר מכן, לייבש את המצעים עם חנקן. זה מקדם כיסוי אחיד של המצע ודבקות קולנוע טובה.
הר את מצעי STO בעלי 001 אוריינטציה במחזיקי מצעים עם דבק מוליך אבקת כסף. טען את המחזיקים לתוך תא ואקום. הר יעד LSMO באקדח הזרקת מגנטרון, ולאחר מכן להרכיב מחדש את האקדח.
בדוק את ההתנגדות עם אומטר כדי למנוע קצר בין מגנטרון והמגן שמסביב. לאחר מכן, לסגור את תא ואקום, ולשאוב למטה. לאחר הוואקום נמוך יותר מפעם אחת 10 כדי מינוס ארבעה פסקלים, לחמם את המצע ל 850 מעלות צלזיוס באמצעות קצב חימום של 15 מעלות צלזיוס לדקה.
הגדר את מרחק מצע היעד לשמונה ס"מ. לאחר מכן, הגדר את בקר זרימת המסה ל-10 ס"מ מעוקבים סטנדרטיים לדקה של חמצן וחמישה סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לדקה של ארגון כאשר הגז העובד זורם. לפני התצהיר, טרום sputter היעד LSMO במשך 20 דקות ב 30 וואט.
כדי להשיג לחץ תא של 25 פסקלים, להתאים את שסתום סד המשאבה המולקולרית. אם הערך המידי גדול מ- 25 פסקלים, סובב אותו נגד כיוון השעון. אם הוא הופך להיות קטן מ- 25 פסקלים, סובב אותו בכיוון השעון.
לאחר מכן, בדוק כי טמפרטורת המצע נשאר ב 850 מעלות צלזיוס והוא יציב. הגדל את העוצמה של מגנטרון מ 30 ל 80 וואט. לאחר שהפלזמה מתייצבת, פותחים את התריס ומפקידים LSMO על המצע המחומם.
לאחר השלמת התצהיר, סגור את התריס וכבה את החשמל למגנטרון. לאחר מכן, לסגור את שסתום הגז, ולכבות את כוח התנור. לאחר קירור הדגימות לטמפרטורת החדר, לפרוק את התא עם חנקן יבש.
לאחר מכן, פתח את התא, והסר את הדגימות. הר את יעד חמצן נחושת בריום gadolinium באקדח הזרקת מגנטרון, ולאחר מכן להרכיב מחדש את האקדח. הפקד את סרטי חמצן נחושת בריום gadolinium כפי שתואר קודם לכן, באמצעות תנאים דומים למעט זמן sputtering, אשר צריך להיות 30 דקות.
לאחר מכן, להקטין את טמפרטורת המדגם ל 500 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, לפתוח את שסתום הגז לחמצן לתת לחץ תא של 75, 000 פסקלים, ולהחזיק את הדגימות בטמפרטורה זו במשך שעה אחת. לאחר קירור הדגימות לטמפרטורת החדר, לפרוק את התא עם חנקן יבש.
לאחר מכן, פתח את התא, והסר את הדגימות. תמונת AFM של חלקיק LSMO על מצעי STO מראה צמיחה אחידה. דפוסי XRD של סרטי חמצן נחושת בריום gadolinium מפוברק על מצעים לא מעוצבים LSMO מעוטרים ננו-חלקיקים STO מוצגים כאן.
טמפרטורת המעבר מוליך העל היה קרוב 90.5 קלווין עבור סרט חמצן נחושת בריום gadolinium ו 90.3 קלווין עבור סרטי LSMO, אשר מציין כי חלקיקים לא לפגוע במאפיין מוליך העל עבור הסרטים. לשם השוואה, אזור לולאת המגנטיזציה של היסטרסיס גדול בהרבה, מאפס לשישה טסלה, ב-30, 50 ו-77 קלווין לסרטים מפוברקים על מצעים מעוטרים ב-LSMO. סרט חמצן נחושת בריום gadolinium מופקד על מצע מעוטר LSMO בעל צפיפות זרם קריטית גבוהה יותר מ 1.3 לשש טסלה ב 30 קלווין ומאפס עד שש טסלה ב 77 קלווין.
ב 30 קלווין, המדגם המעוטר יש צפיפות כוח הצמדה גדולה יותר מעל 1.3 טסלה. ב 77 קלווין, הצפיפות עברה לערך H גבוה יותר עבור המדגם המעוטר. התלות הזוויתית של צפיפות הזרם הקריטית ב-3 טסלה ו-77 קלווין לסרט המעוטר ב-LSMO מראה עלייה לאורך ציר ה-c, מה שמרמז על כך שהוא יעיל יותר בכיוון שדה מגנטי במקביל לכיוון ציר C.
שיטה זו כרוכה בשלבים ופרטים רבים, ולכן הדגמה חזותית היא קריטית להבנה ולשליטה בשיטה זו. לאחר התפתחותה, שיטה זו מאפשרת להפקיד סרטי תחמוצת וננו-חלקיקים, כמו גם סרטי מתכת וננו-חלקיקים. לאחר התפתחותה, שיטה זו מאפשרת להפקיד סרטי תחמוצת וננו-חלקיקים, כמו גם סרטי מתכת וננו-חלקיקים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לגידול ננו-חלקיקי LSMO וסרטי Gd BCO על מצעי גביש יחיד של SrTiO3 באמצעות התזה בתדר רדיו (radio frequency sputtering). השיטה מאפשרת שיקוע אחיד של ננו-חלקיקים וסרטים באותו תא ואקום.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- סינתזה של ננוחלקיקים
- שיקוע שכבות דקות
- חומרים מוליכי-על
רקע
- ננו-חלקיקי LSMO חשובים עבור יישומים שונים.
- סרטי GBCO ידועים בתכונות המוליכות-על שלהם.
- שילוב של חומרים אלו יכול לשפר את הביצועים במכשירים אלקטרוניים.
- שימוש באותה תא ואקום מייעל את תהליך השיקוע.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה לצמיחה אחידה של ננו-חלקיקי LSMO.
- השגת סרטי GBCO באיכות גבוהה על מצעי גביש יחיד.
- מתן תובנות לגבי תחומי הצמיחה של הסרטים והננו-חלקיקים.
שיטות שהשתמשו בהן
- טכניקת התזה בתדר רדיו (Radio frequency sputtering).
- שיקוע על מצעי SrTiO3 (001).
- שימוש בתא ואקום לשיקוע סימולטני.
- אפיון של איכות הננו-חלקיקים והסרט.
תוצאות עיקריות
- הושג גודל אחיד של ננו-חלקיקי LSMO.
- שוקבנו סרטי GBCO מוליכי-על באיכות גבוהה.
- הושגו תובנות לגבי תהליך השקיעה.
- השיטה ישימה לשקיעה של סרטי מתכת וננו-חלקיקים אחרים.
מסקנות
- הפרוטוקול מאפשר שיקוע יעיל של ננו-חלקיקים ושכבות דקות.
- חוקרים יכולים ללמוד על ציוד ואקום וטכנולוגיה של גידול שכבות דקות.
- לשיטה זו יישומים פוטנציאליים בתחומים שונים של מדע החומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך ניהולי
שיטה זו מאפשרת שיקוע אחיד של ננו-חלקיקי תחמוצת פונקציונליים וסרטים מוליכי-על בתא ואקום יחיד, ובכך תומכת בסינתזה רפרודוקטיבית של חומרים לשלבי גילוי ראשוניים. באמצעות שילוב של קישוט ננו-חלקיקים עם גידול סרטים באיכות גבוהה, היא מספקת פלטפורמה לבחינת השפעות ממשקיות במערכות תחמוצת מורכבות הרלוונטיות ליישומים אלקטרוניים וספינטרוניים. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בכוונון תכונות החומר באמצעות הנדסת ננו-מבנה מבוקרת.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של האופן שבו הפרעות מגנטיות בקנה מידה ננומטרי משפיעות על סימטריית הפרמטר של סדר המוליכות-על ועל דינמיקת מערבולות (vortex dynamics).
- ערך תפעולי: מספק תהליך סטנדרטי ליצירת התפלגויות גודל וצפיפות ניתנות לכיוונון של ננו-חלקיקים על מצעי גביש יחיד.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מקל על הכנת מערכות מודל בעלות פרמטרים מבניים ומורפולוגיים מדידים לצורך ניתוח תכונות קורלטיבי.
- ערך תפעולי: תומך בחזרתיות ברמה של בדיקה (assay) בסטויכיומטריה של הסרט, בפאזה הגבישית ובבקרת העובי לאורך מספר סבבי שיקוע.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר להעריך כיצד מאמץ ממשקי ופיזור ספין בצומתי הטרו-אוקסידיים משפיעים על צפיפות זרם קריטית ועל נוף הקיבוע (pinning landscape).
- ערך תפעולי: מציע דרך להערכת קשרי מבנה-תכונה תחת אוריינטציות משתנות של שדה מגנטי וטמפרטורות שונות, ובכך מסייע בהפחתת סיכונים בתכנוני ארכיטקטורה של אוקסידים פונקציונליים.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
השיטה מציבה את סינתזת החומרים בשלב הגילוי, ובכך מאפשרת חקירה מונחית-היפותזה של הטרו-מבנים של תחמוצות לפני השילוב שלהם במכשיר פונקציונלי.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בשינוי שיטתי של קישוט הננו-חלקיקים כדי לבחון תופעות המגיחות בממשקים בין פרומגנט למוליך-על.
- סריקה: מספק קומפוזיטים הדירים של שכבות דקות וננו-חלקיקים עם מעברים מגנטיים ומוליכי-על מדידים לצורך סריקה השוואתית.
- אנליטיקה: מייצר פלטים כמותיים הכוללים צפיפות זרם קריטית, היסטרזיס של מגנטיזציה וכוח עיגון תלוי-זווית לצורך מיפוי של תכונות-פעילות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין פרמטרי סינתזה למדדי ביצועים פונקציונליים, מה שמאפשר הערכה מותאמת-סיכון של שכבות פעילות מבוססות תחמוצת.
- שימוש חוזר בארגון: מבסס פרוטוקול התזה (sputtering) ניתן לשימוש חוזר שניתן להתאימו למערכות תחמוצת מורכבות אחרות ולקומפוזיטים ננו-מטריים של מתכת/תחמוצת.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מאפשר הפחתת סיכונים מכניסטית של אינטראקציות בין ספין למוליכות-על באמצעות בקרה מדויקת של ננו-מבנה.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות בין תאים ובחזרות של ריצות שונות בקינטיקה של השקיעה ובאיכות הסרט.
- ערך אסטרטגי: מקצר את זמן מחזור הפיתוח על ידי שילוב סינתזה של ננו-חלקיקים וסרטים בתהליך ואקום יחיד.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בהחלטות go/no-go לגבי היתכנות של הטרו-מבני תחמוצת בהתבסס על נתוני מבנה ומוליכות קורלטיביים.
שיקולי יישום
- מומחיות בשיקוע שכבות דקות בוואקום, הכנת תשבית ואופטימיזציה של פרמטרי התזה.
- מערכת התזה במגנטרון RF עם בקרת זרימה מסית, חימום תשבית ובקרת תריס.
- סטנדרטיזציה של המרחק בין המטרה לתשבית, יחסי הגזים, עליית ההספק (power ramping) ופרוטוקולי מחזוריות תרמית.
- שיקולי התאמה עבור תשביטים עם אי התאמה סריגית (lattice-mismatched) ומטרות תחליפיות של תחמוצות או מתכות.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות לסטוכיומטריה של חמצן במהלך התשבון (annealing) לאחר השיקוע והשפעות של מאמץ הנגרם מהתשבית.
