Artykuł metodologiczny

Rozpylanie magnetronowe o częstotliwości radiowej GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 Quasi-dwuwarstwowe folie na podłożach monokrystalicznych SrTiO3 (STO)

6.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58069

⸱

12 kwietnia 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, Mathematics, Shanghai Key Laboratory of Materials Protection and Advanced Materials in Electric Power, Shanghai University of Electric Power, 2Key Laboratory of Artificial Structure and Quantum Control, Ministry of Education, Department of Physics, Shanghai Jiao Tong University, 3Shanghai Institute of Space Power-sources, 4Shanghai Key Laboratory of High Temperature Superconductors, Shanghai University

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół hodowli nanocząstek LSMO i folii (Gd) BCO na podłożach monokrystalicznych (001) SrTiO3 (STO) metodą rozpylania radiowego (RF).

Streszczenie

Tutaj demonstrujemy metodę powlekania nanocząstek ferromagnetycznych La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) na substratach monokrystalicznych (001) SrTiO3 (STO) za pomocą rozpylania magnetronowego o częstotliwości radiowej (RF). Nanocząstki LSMO osadzano o średnicach od 10 do 20 nm i wysokościach od 20 do 50 nm. W tym samym czasie folie (Gd) Ba2Cu3O7−δ ((Gd) BCO) wyprodukowano zarówno na podłożach niedekorowanych, jak i na podłożach STO ozdobionych nanocząstkami LSMO przy użyciu rozpylania magnetronowego RF. W artykule opisano również właściwości struktur quasi-dwuwarstwowych warstw GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 (np. faza krystaliczna, morfologia, skład chemiczny); Oceniono również właściwości namagnesowania, magnetotransportu i transportu nadprzewodzącego.

Wprowadzenie

Manganit domieszkowany La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) ma unikalne właściwości, takie jak szerokie przerwy w paśmie, półmetaliczny ferromagnetyzm i splątane stany elektronowe, które zapewniają niezwykłe możliwości dla potencjalnych zastosowań spintronicznych1,2,3,4. Obecnie wielu badaczy stara się wykorzystać unikalne właściwości LSMO do zasiedlenia ruchu wirowego dla wysokotemperaturowych warstw nadprzewodzących (HTS), takich jak (RE) Ba2Cu3O7−δ folie (REBCO, RE= pierwiastek ziem rzadkich)5,6,7,8,9,10,11,12. Nanoskalowa dekoracja powierzchni podłoża za pomocą nanocząstek ferromagnetycznych zapewni dobrze zdefiniowane miejsca do indukowania magnetycznych centrów przypinania o oczekiwanej gęstości13,14. Jednak możliwość kontrolowania gęstości i geometrii nanocząstek na powierzchniach o wysokiej teksturze, takich jak podłoża monokrystaliczne i podłoża metalowe o wysokiej teksturze, jest bardzo trudna. Najczęściej nanocząstki są syntetyzowane i powlekane na powierzchniach przy użyciu metod rozkładu metali organicznych15 oraz metod osadzania laserowego impulsowego16,17. Chociaż impulsowe metody osadzania laserowego mogą zapewnić nanocząstki pokryte różnymi podłożami, trudno jest uzyskać osadzanie jednorodnych nanocząstek na dużej powierzchni. Jeśli chodzi o metody rozkładu metali organicznych, są one odpowiednie do osadzania nanocząstek na dużych powierzchniach. Jednak nanocząstki są często niejednorodne i łatwo ulegają uszkodzeniu pod wpływem niewielkich naprężeń fizycznych.

Wśród tych technik, rozpylanie magnetronowe RF ma wiele zalet. Rozpylanie charakteryzuje się wysoką szybkością stapiania, niskimi kosztami i brakiem emisji toksycznych gazów. Ponadto łatwo jest rozszerzyć na podłoża o dużej powierzchni18,19. Metoda ta zapewnia jednoetapowe tworzenie nanocząstek La0,67Sr0,33MnO3 (LSMO), a nanocząstki są łatwe do osadzania na podłożach monokrystalicznych. Rozpylanie magnetronowe RF może tworzyć nanocząstki o dużej powierzchni równomiernie na różnych podłożach, niezależnie od tekstury powierzchni i chropowatości powierzchni20. Kontrolę cząstek można osiągnąć, dostosowując czas rozpylania. Jednorodność można osiągnąć, dostosowując odległość między obiektem a substratem. Wadą rozpylania RF-magnetron jest jego niższe tempo wzrostu dla niektórych tlenków21. W tym podejściu docelowe atomy (lub cząsteczki) są rozpylane z celu przez jon argonu, a następnie nanocząstki są osadzane na podłożach w fazie gazowej22. Tworzenie się nanocząstek zachodzi na podłożu w jednym kroku23. Metoda ta ma teoretyczne zastosowanie do wszelkich materiałów, w tym cienkich warstw nadprzewodzących, folii oporowych, folii półprzewodnikowych, cienkich warstw ferromagnetycznych itp. Jednak do tej pory doniesienia o protokołach deponowania nanocząstek ferromagnetycznych są bardzo rzadkie.

Tutaj demonstrujemy osadzanie warstw quasi-dwuwarstwowych GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr0,33MnO3 na podłożach monokrystalicznych SrTiO3 (STO) metodą napylania magnetronowego RF. W procesie tym wykorzystywane są dwa rodzaje materiałów docelowych, GdBa2Cu3O7−δ i La0,67Sr0,33MnO3 tarcza. Podłoża monokrystaliczne SrTiO3 (STO) pokryto foliami quasi-dwuwarstwowymi GdBa2Cu3O7−δoraz foliami quasi-dwuwarstwowymi GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr0,33MnO3.

W tym protokole, GdBa2Cu3O7−δ/La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-dwuwarstwowe folie są osadzane za pomocą rozpylania magnetronowego RF na podłożach STO (001). Średnica tarczy wynosi 60 mm, a odległość między tarczą a podłożami wynosi około 10 cm. Grzejniki to żarówki umieszczone 1 cm nad podłożami. Maksymalna temperatura w tym systemie wynosi 850°C. W tym systemie występuje 5 różnych podłoży. Napylanie magnetronowe RF GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr0,33MnO3 quasi-dwuwarstwowe folie składa się z dwóch etapów, którymi są przygotowanie substratów i proces rozpylania magnetronowego RF. Zdjęcie systemu rozpylania pokazano na rysunku S1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie podłoża i celu

UWAGA: Ta sekcja opisuje przygotowanie komory do osadzania napylania i substratów monokryształu SrTiO3 (STO).

  1. Używaj podłoży monokrystalicznych SrTiO3 (STO) o wymiarach 10 mm x 10 mm (STO) podczas procesu rozpylania magnetronowego RF.
  2. Kolejno czyścić podłoża w izopropanolu i wodzie dejonizowanej przez 10 minut w temperaturze pokojowej w kąpieli ultradźwiękowej. Następnie wysuszyć podłoża azotem, który zapewnia równomierne pokrycie podłoża i dobrą przyczepność folii.
  3. Zamontuj podłoża (001) STO w uchwytach podłoża za pomocą kleju przewodzącego w postaci srebrnego proszku. Załaduj je do komory próżniowej.
  4. Zamontuj tarczę LSMO w pistolecie do wtrysku magnetronu, a następnie ponownie zmontuj pistolet. Sprawdź rezystancję omomierzem, aby uniknąć zwarcia między magnetronem a otaczającą go osłoną. Zamknij komorę próżniową, jest zamknięta i pompuj w dół.
  5. Gdy próżnia spadnie poniżej 1 x 10-4 Pa, podgrzej podłoża do 850 °C, stosując szybkość ogrzewania 15 °C/min. Ustaw odległość między podłożem docelowym a podłożem na 8 cm.
  6. Ustaw regulator przepływu masowego na 10 sccm O i 5 sccm Ar jako przepływ gazu roboczego. Użyj zmieszanego gazu Ar / O, aby utrzymać stosunek kationowy O (3) dla materiału La0,67Sr0,33MnO3 podczas wzrostu.
  7. Przed osadzaniem należy wstępnie napylać tarczę LSMO przez 20 minut przy 30 W. Duża moc doprowadzi do pęknięć tarczy, a użycie niskiej mocy doprowadzi do większej ilości czasu na czystą powierzchnię, dlatego wybieramy 20 min dla 30 W.

2. Osadzanie nanocząstek LSMO

UWAGA: Ta sekcja opisuje osadzanie nanocząstek LSMO przez rozpylanie RF-magnetronowe.

  1. Aby uzyskać ciśnienie w komorze 25 Pa, wyreguluj zawór szyny pompy molekularnej. Jeśli wartość chwilowa staje się większa niż 25 Pa, obróć ją w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara; jeśli staje się mniejszy niż 25 Pa, obróć go zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Kontynuuj, aż ciśnienie ustabilizuje się do stabilnej wartości.
  2. Sprawdź, czy temperatura podłoża utrzymuje się na poziomie 850 °C i jest stabilna.
  3. Zwiększ moc magnetronu z 30 do 80 W. Odczekaj 10 minut, aż plazma się ustabilizuje.
  4. Otwórz żaluzję i umieść LSMO na rozgrzanym podłożu.
    UWAGA: Użyliśmy czasów rozpylania wynoszących 5, 10, 30 i 60 s dla czterech próbek.
  5. Zamknij migawkę. Wyłącz zasilanie magnetronu. Zamknij zawór gazowy i wyłącz zasilanie grzałki.
  6. Schłodzić próbki do temperatury pokojowej. Co niezwykłe, w tym systemie zajmuje to co najmniej dwie godziny. Przewietrzyć komorę suchym azotem, otworzyć ją i usunąć próbki.

3. GdBa2Cu3O7−δ Osadzanie filmu

  1. Zamontuj cel GdBa2Cu3O7−δw pistolecie magnetronowym, a następnie zmontuj działo. Zdeponuj dowolne folie (Gd) BCO, wykonując czynności podobne do kroków 1.4-2.8. Dla folii (Gd) BCO należy stosować podobne warunki osadzania, jak w przypadku nanocząstek LSMO, z wyjątkiem czasu rozpylania, który powinien wynosić 30 minut. Po tym wzrost się zakończy, a następnym krokiem jest wyżarzanie końcowe.
  2. Zmniejsz temperaturę próbki do 500°C. Następnie otwórz zawór gazowy dla tlenu, aby uzyskać ciśnienie w komorze 75 000 Pa. Trzymaj próbki w tej temperaturze przez godzinę.
    UWAGA: Temperatura dla 500 °C i ciśnienie w komorze 75 000 Pa służą do równomiernego uzyskania nanocząstek LSMO.
  3. Schłodzić próbki do temperatury pokojowej. Przewietrzyć komorę suchym azotem, otworzyć ją i usunąć próbki.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Grubość warstw (Gd) BCO na podłożu STO, zarówno niezmodyfikowanym, jak i udekorowanym LSMO, wynosiła 500nm, co zmierzono profilometrem powierzchniowym. Grubość warstwy kontrolowano za pomocą czasu rozpylania. Rycina 1a,b przedstawia obraz AFM nanocząsteczek LSMO (czas rozpylania 10 s) na monokrystalicznych podłożach STO o wymiarach 1,0 cm x 1,0 cm, co dowodzi, że nanocząsteczki LSMO urosły na podłożach STO jednorodnie. Powierzchnię oraz chrop...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Tutaj wykazaliśmy, że metoda ta może być wykorzystana do przygotowania nanocząstek ferromagnetycznych LSMO o równomiernym rozkładzie na podłożach monokrystalicznych SrTiO3 (STO). Folie (Gd) BCO mogą być również osadzane zarówno na gołym, jak i zdobionym LSMO podłożu STO. Przy odpowiednim dostosowaniu parametrów osadzania, takich jak temperatura wzrostu i odległość między obiektem a substratem, metoda ta powinna być przydatna do osadzania różnego rodzaju cząstek lub warstw magnetycznych i niemagnetycznych, na p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (nr 51502168; Nr 11504227) oraz Miejskiej Fundacji Nauk Przyrodniczych w Szanghaju (nr 16ZR1413600). Autorzy dziękują Centrum Analiz Instrumentalnych Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju oraz laboratorium analitycznemu Ma-tek za kompetentną pomoc techniczną.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
System osadzania napylaniaShenyang instrumenty naukowe Limited by Share LtdBespoke
SrTiO3 Podłoże monokrystaliczneHefei Ke technologia materiału krystalicznego Co., LtdJednostronna orientacja polerowana epi(001)
La0,67Sr0.33MnO3 cel rozpylaniaHefei Ke materiał krystaliczny technologia Co., LtdNa zamówienieo średnicy 60 mm
GdBa2Cu3O7− δ < / sub> cel rozpylaniaHefei Ke technologia materiałów kryształowych Co., LtdWykonany na zamówienie
mikroskop sił atomowychBr & uuml; kerDimension Icon
rentgenowskiBrü kerD8 Odkryj
System Pomiaru Właściwości FizycznychQuantum DesignPPMS 9
o średnicy 60 mm Dyfraktometr

Bibliografia

  1. Gong, J., Zheng, D., Li, D., Jin, C., Bai, H. Lattice distortion modified anisotropic magnetoresistance in epitaxial La0.67Sr0.33MnO3 thin films. Journal of Alloys and Compounds. 735, 1152-1157 (2018).
  2. Wang, J., Han, Z., Bai, J., Luo, B., Chen, C. Magnetoelectric coupling in oxygen deficient La0.67Sr0.33MnO3-δ/BaTiO3 composite film. Physica B: Condensed Matter. 534, 141-144 (2018).
  3. Duan, Z., et al. Facile fabrication of micro-patterned LSMO films with unchanged magnetic properties by photosensitive sol-gel method on LaAlO3 substrates. Ceramics International. 42 (12), 14100-14106 (2016).
  4. Xu, P., Huffman, T. J., Kwak, I. H., Biswas, A., Qazilbash, M. M. Temperature dependent infrared nano-imaging of La0.67Sr0.33MnO3 thin film. Journal of Physics-Condensed Matter. 30 (2), (2018).
  5. Bulaevskii, L. N., Chudnovsky, E. M., Maley, M. P. Magnetic pinning in superconductor-ferromagnet multilayers. Applied Physics Letters. 76 (18), 2594-2596 (2000).
  6. Chen, C. Z., et al. Flux pinning of stress-induced magnetic inhomogeneity in the bilayers of YBa2Cu3O7−δ/La0.67Sr0.33MnO3−δ. Journal of Applied Physics. 106 (9), 093902(2009).
  7. Chen, C. Z., et al. Robust high-temperature magnetic pinning induced by proximity in YBa2Cu3O7−δ/La0.67Sr0.33MnO3 hybrids. Journal of Applied Physics. 109 (7), 073921(2011).
  8. Huang, J., et al. Magnetic properties of (CoFe2O4)x:(CeO2)1−x vertically aligned nanocomposites and their pinning properties in YBa2Cu3O7−δ thin films. Journal of Applied Physics. 115 (12), 123902(2014).
  9. Lange, M., Bael, M. J. V., Bruynseraede, Y., Moshchalkov, V. V. Nanoengineered Magnetic-Field-Induced Superconductivity. Physical Review Letters. 90 (19), 197006(1970).
  10. Rakshit, R. K., Budhani, R. C., Bhuvana, T., Kulkarni, V. N., Kulkarni, G. U. Inhomogeneous vortex-state-driven enhancement of superconductivity in nanoengineered ferromagnet-superconductor heterostructures. Physical Review B. 77 (5), 052509(2008).
  11. Guo, H., Ward, T. Z. Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides. Journal of Visualized Experiments. 77, e50573(2013).
  12. Wang, Y., Li, Y., Liu, L., Xu, D. Improvement of flux pinning in GdBa2Cu3O7-delta thin film by nanoscale ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 pretreatment of substrate surface. Ceramics International. 44 (1), 225-230 (2018).
  13. Martín, J. I., Vélez, M., Nogués, J., Schuller, I. K. Flux Pinning in a Superconductor by an Array of Submicrometer Magnetic Dots. Physical Review Letters. 79 (10), 1929-1932 (1997).
  14. Morgan, D. J., Ketterson, J. B. Asymmetric Flux Pinning in a Regular Array of Magnetic Dipoles. Physical Review Letters. 80 (16), 3614-3617 (1998).
  15. Gutierrez, J., et al. Anisotropic c-axis pinning in interfacial self-assembled nanostructured trifluoracetate-YBa2Cu3O7−x films. Applied Physics Letters. 94 (17), 172513(2009).
  16. Tran, D. H., et al. Enhanced critical current density in GdBa2Cu3O7-δ thin films with substrate surface decoration using Gd2O3 nanoparticles. Thin Solid Films. 526 (0), 241-245 (2012).
  17. Jha, A. K., Khare, N., Pinto, R. Interface engineering using ferromagnetic nanoparticles for enhancing pinning in YBa2Cu3O7-delta thin film. Journal of Applied Physics. 110 (11), (2011).
  18. Casotti, D., et al. Ageing effects on electrical resistivity of Nb-doped TiO2 thin films deposited at a high rate by reactive DC magnetron sputtering. Applied Surface Science. 455, 267-275 (2018).
  19. Li, Y., et al. Preparation of single-phase Ti2AlN coating by magnetron sputtering with cost-efficient hot-pressed Ti-Al-N targets. Ceramics International. 44 (14), 17530-17534 (2018).
  20. Mahdhi, H., Djessas, K., Ben Ayadi, Z. Synthesis and characteristics of Ca-doped ZnO thin films by rf magnetron sputtering at low temperature. Materials Letters. 214, 10-14 (2018).
  21. Shen, H., Wei, B., Zhang, D., Qi, Z., Wang, Z. Magnetron sputtered NbN thin film electrodes for supercapacitors. Materials Letters. 229, 17-20 (2018).
  22. Sinnarasa, I., et al. Influence of thickness and microstructure on thermoelectric properties of Mg-doped CuCrO2 delafossite thin films deposited by RF-magnetron sputtering. Applied Surface Science. , 244-250 (2018).
  23. Thi-Thuy-Nga, N., Chen, Y. -H., Chen, Z. -M., Cheng, K. -B., He, J. -L. Microstructure near infrared reflectance, and surface temperature of Ti-O coated polyethylene terephthalate fabrics prepared by roll-to-roll high power impulse magnetron sputtering system. Thin Solid Films. , 1-8 (2018).
  24. Wang, Y., Xu, D., Li, Y., Liu, L. Texture and morphology developments of Yttria-stabilized zirconia (YSZ) buffer layer for coated conductors by RF sputtering. Surface & Coatings Technology. 232, 497-503 (2013).
  25. Petrisor, T. Jr, et al. Magnetic pinning effects of epitaxial LaxSr1-xMnO3 nanostructured thin films on YBa2Cu3O7-delta layers. Journal of Applied Physics. 112 (5), (2012).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Filmy GdBa2Cu3O7 deltananocz steczki La0 67Sr0 33MnO3pod o a SrTiO3osadzanie film w tlenkowychwzrost nanocz steczekw a ciwo ci nadprzewodz cehistereza namagnesowaniakrytyczna g sto pr duobrazowanie AFM

Powiązane artykuły