バルクと組成バリエーション エントロピー安定化酸化物薄膜合成

この手順は、化学的および物理的無秩序が長距離磁気にどのように直接影響を与えるかなど、機能性酸化物コミュニティの主要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、材料化学の大幅な調整を可能にし、さまざまなESO組成に適用できることです。その手順を実演しているのは、私の研究室の大学院生であるPeter Meisenheimerです。

まず、必要な酸化物粉末を粉砕し、ダイプレスを使用して粉末をペレットに圧縮してターゲットを形成します。ターゲットを1、100°Cの空気中で24時間焼結します。次に、摂氏1,100度にとどまったまま、ターゲットを含むるつぼを炉から取り出します。

トングを使用して、ターゲットを同じ耐熱性面に配置します。ターゲットの光が止まるのを待ち、室温の水でターゲットをすばやく急冷します。ターゲットがスパッタリングしなくなったら、ターゲットを水から取り出し、自然乾燥させます。

ターゲットが冷えて乾燥したら、ターゲット密度と理論密度の割合を計算します。測定された密度がパルスレーザー堆積に不十分な場合は、ターゲットを再研磨して樹脂充填します。必要に応じて、この方法で追加のターゲットを準備します。

反射して均一になるまで、炭化ケイ素紙の漸進的な細粒を使用して、円を描くように各ターゲットを研磨します。研磨されたターゲットは、パルスレーザー蒸着手順を開始する準備ができるまで、デシケーターに保管します。パルス幅が約20ナノ秒の248ナノメートルのクリプトン-フッ化物パルスエキシマレーザーが使用できる状態になっていることを確認します。

研磨されたターゲットを蒸着チャンバーの回転カルーセルに置きます。2 x 2 cm のバーンペーパーをビーム経路の最終ターゲットに置きます。レーザーを一度パルスし、両方の軸で結果として生じる焼け跡を測定します。

ビームパルスが0.27 x 0.24センチメートルの楕円を生成するまで、集光レンズを調整します。次に、バーンペーパーを取り外し、チャンバードアを閉じます。ドライスクロールの荒削りポンプでチャンバーを0.5 torrまたは67 pascalsに排気します。

次に、ターボポンプを1, 000ヘルツに回転させ、イオン化ゲージで測定するように、負の7番目のtorrまたは負の5番目のパスカルの1.3倍10の少なくとも10の基本圧力まで堆積チャンバーをポンプダウンします。その圧力に達したら、ターボポンプを200ヘルツに下げます。次に、単結晶片面研磨酸化マグネシウム基板を半導体グレードのトリクロロエチレン、半導体グレードのアセトン、および高純度のイソプロピルアルコールでそれぞれ2分間超音波処理します。

超乾燥圧縮窒素ガスで基板を乾燥させます。熱伝導性のある銀塗料を少量使用して、基板を基板プラテンに固定します。ホットプレート上で基材とプラテンを100°Cで10分間加熱し、塗料を硬化させます。

外部転写ツールを使用して、基板プラテンをPLDのロードロック内の転写アームに配置します。ロードロックを閉じて、少なくとも10から7番目のトールまで、または1.3倍から負の5番目のパスカルまでポンプダウンします。次に、ロードロックと蒸着チャンバーの間のゲートバルブを開き、トランスファーアームを使用してプラテンをヒーターアセンブリに取り付けます。

トランスファーアームをロードロックに引っ込め、ゲートバルブを閉じます。ヒーターを下げて、基板の目標距離を7センチメートルにします。次に、チャンバーの直前のビーム経路にエネルギーメーターを配置します。

メーターのフォトダイオードに50個のレーザーパルスを2ヘルツの速度で照射し、平均エネルギーを決定します。レーザー励起電圧を調整して、平均パルスエネルギーを310ミリジュールにし、安定性はプラスマイナス10ミリジュールにします。終了したら、エネルギーメーターを取り外します。

真空下で毎分30°Cで1, 000°Cで基板を加熱します。基板をその温度で30分間保持して、酸化マグネシウム結晶の表面を脱ヒドロキシル化します。その後、基板を毎分30°Cで300°Cに冷却し、その温度で10分間平衡化させます。

酸素分圧が安定したら、目的のターゲットをラスターと回転に設定し、基板シャッターが閉じていることを確認します。5ヘルツの速度で2, 000パルスのターゲットをアブレートします。次に、基板シャッターを開き、レーザーを6ヘルツで10,000回パルスして、基板上に約80ナノメートルの厚さのエントロピー安定化酸化膜を堆積させます。

蒸着が終了したら、チャンバー内の酸素分圧を1torrまたは133パスカルに上げて、酸素空孔の形成を抑制します。サンプルを毎分10°Cで40°Cに冷却します。次に、酸素ガスの流れを閉じ、チャンバーの圧力が安定するのを待ちます。

ゲートバルブを開き、ヒーターを持ち上げ、トランスファーアームを使用して基板プラテンをロードロックに移動します。ゲートバルブを閉じ、ロードロックを大気圧に通気します。外部転写ツールを使用して基板プラテンを取り外します。

かみそりの刃を使用して、サンプルとプラテンを分離します。プラテンを研磨して、仕上げたら銀色の塗料と堆積物を取り除きます。バルクセラミックスとしてのコバルトバリアントと銅バリアントのエントロピー安定化酸化物の2つのシータオメガX線回折は、合成されたサンプルが二次相を持たない岩塩構造であることを示しました。

堆積した膜は単結晶性であり、ゼロ-ゼロ-1配向酸化マグネシウム基板に対してエピタキシャルであり、ゼロ-ゼロ-2およびゼロ-ゼロ-4の膜ピークのみが観察されました。これらのピークの周囲にはラウエの縞模様が観察され、膜が滑らかな界面を持つ高い結晶品質であったことが示されました。発振周期は、約80ナノメートルの膜厚と一致していました。

X線光電子分光法は、それらの構成カチオンが2プラス酸化状態にあり、該当する場合は高スピンであることを示しました。これらのスペクトルから計算された組成は、1%未満の誤差でノミナル組成と一致しました。エネルギー分散型X線分光法マップは、公称組成と一致しており、フィルムが化学的に均質であることを示しました。

原子間力顕微鏡は、薄膜がサブユニットセルルート平均二乗粗さ値で5マイクロメートル×5マイクロメートルのスキャン範囲にわたって平坦であることを示しました。ローアングルの2シータオメガXRDデータは、これらの粗さの数値と一致しました。ピークツーピークの粗さは、すべてのフィルムで約3.3オングストロームでした。

エントロピー安定化酸化物は、多くの望ましい特性を持つ初期の研究分野です。このビデオを見れば、バルクおよび薄膜のエントロピー安定化酸化物材料の合成方法について十分に理解できるはずです。PLDは、エキゾチックな機能を調べるための高品質の単結晶薄膜の成膜に理想的な方法であり、したがって、薄膜エントロピー安定化酸化物の研究を促進するための最良の技術です。