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Rádio frequência Magnetron Sputtering do GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO BICAMADA de quase3 filmes em substratos de único-cristal SrTiO3 (STO)

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DOI:

10.3791/58069

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12 de abril de 2019

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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

Neste artigo

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para crescer LSMO nanopartículas e (Gd) BCO filmes em (001) SrTiO3 (STO) único-cristal substratos por rádio frequência (RF)-sputtering.

Resumo

Aqui, vamos demonstrar um método de revestimento ferromagnéticos La0,67Sr0,33MnO3 (LSMO) de nanopartículas (001) SrTiO3 (STO) substratos de único-cristal por rádio frequência (RF) magnetron sputtering. LSMO nanopartículas foram depositadas com diâmetros de 10 a 20 nm e alturas entre 20 e 50 nm. Ao mesmo tempo, não decorados (Gd) Ba2Cu3O7−δ ((Gd) BCO) filmes foram fabricadas em ambos e nanopartículas LSMO decorados usando sputtering do magnétron RF de substratos de STO. Este relatório também descreve as propriedades do GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 filmes de BICAMADA quasi estruturas (por exemplo, fase cristalina, morfologia composição química); magnetização, magneto-transporte e propriedades supercondutoras de transporte também foram avaliadas.

Introdução

A manganita dopado com buraco La0,67Sr0,33MnO3 (LSMO) tem propriedades únicas, tais como banda larga lacunas, metade-metálicos ferromagnetismo e emaranhados Estados eletrônicos, que oferecem oportunidades extraordinárias para potencial spintrônica aplicações1,2,3,4. Atualmente, muitos pesquisadores estão se esforçando para aproveitar as propriedades únicas do LSMO a habitar o movimento de vórtice para filmes supercondutores de alta temperatura (HTS), tais como (RE) Ba2Cu3O7−δ filmes (petróleo, RE = elemento de terra – raras)5,6,7,8,9,10,11,12. Nanoescala decoração das superfícies com nanopartículas ferromagnéticas substrato irá fornecer sites bem definidos para indução magnéticas de fixação centros de densidade esperada13,14. No entanto, a capacidade de controlar a densidade e a geometria das nanopartículas em superfícies altamente texturizadas, como substratos do único-cristal e altamente texturizados substratos metálicos é muito difícil. Mais comumente, nanopartículas são sintetizadas revestido em superfícies usando métodos de decomposição orgânica metal15e pulsada do laser deposição métodos16,17. Embora métodos de deposição do pulso do laser podem fornecer nanopartículas revestidas em vários substratos, é difícil perceber a deposição de nanopartículas homogênea de grande área. Quanto aos métodos de decomposição biológica de metal, eles são adequados para a deposição de grande área de nanopartículas. No entanto, as nanopartículas são frequentemente não-uniforme e facilmente danificadas por pequenas tensões físicas.

Entre estas técnicas, RF-magnetron sputtering tem muitas vantagens. Pulverização catódica tem uma taxa de deposição elevada, baixo custo e a falta de emissão de gases tóxicos. Além disso, é fácil de expandir a área de grande escala a substratos18,19. Este método fornece formação de etapa única de La0,67Sr0,33MnO3 (LSMO) nanopartículas e as nanopartículas são fáceis de ser depositados sobre substratos do único-cristal. RF magnetron sputtering pode criar grande área nanopartículas uniformemente em uma variada gama de substratos, independentemente da textura da superfície e aspereza de superfície20. O controle de partículas pode ser alcançado por ajustar o tempo de pulverização catódica. Homogeneidade pode ser alcançada por ajustar a distância do alvo-substrato. A desvantagem de RF-magnetron sputtering é sua baixa taxa de crescimento para alguns óxidos21. Nesta abordagem, os átomos do alvo (ou moléculas) são atomizadas fora o alvo por íon argônio, e então nanopartículas são depositadas sobre substratos no vapor fase22. Ocorre a formação de nanopartículas sobre o substrato em um único passo23. Este método é teoricamente aplicável a quaisquer materiais, incluindo supercondutores de película fina película de resistência, filme de semicondutores, ferromagnética fina película etc. no entanto, até à data, relatórios sobre protocolos para depositar ferromagnéticos nanopartículas são muito escassas.

Aqui, demonstramos a deposição de GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr0,33MnO3 quasi BICAMADA filmes em substratos de único-cristal SrTiO3 (STO) por RF magnetron sputtering método. Dois tipos de materiais de alvo, GdBa2Cu3O7−δ e La0,67Sr0,33MnO3 alvo são utilizados no processo. Substratos de único-cristal SrTiO3 (STO) foram revestidos com GdBa2Cu3O7−δfilmes e GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr 0,33 Filmes de BICAMADA quasi3 MnO.

Neste protocolo, GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr0,33MnO3 quasi BICAMADA filmes são depositados junto do magnétron RF pulverização catódica em substratos STO (001). O diâmetro do alvo é 60 mm e a distância entre o alvo e substratos é cerca de 10 cm. Os aquecedores são bulbos posicionados a 1 cm acima os substratos. A temperatura máxima é de 850° C neste sistema de. Existem 5 diferentes substratos neste sistema. Sputtering GdBa2Cu3O7−δ/La0,67Sr0,33MnO3 quasi BICAMADA filmes do magnétron de RF consiste em duas etapas, que são a preparação de substratos e do magnétron RF processo de pulverização catódica. Uma imagem do sistema de pulverização catódica é mostrada na Figura S1.

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Protocolo

1. o substrato e preparação de alvo

Nota: Esta seção descreve a preparação da câmara de deposição por pulverização catódica e os substratos de3 (STO) de SrTiO de cristal único.

  1. Use substratos de 10 x 10 mm SrTiO3 (STO) único-cristal durante o magnétron RF processo que sputtering.
  2. Sequencialmente, limpe os substratos em isopropanol e água desionizada durante 10 minutos à temperatura em banho ultra-sônico. Depois seque os substratos com nitrogênio, que é para uma cobertura uniforme do substrato e aderência do filme bom.
  3. Monte os substratos STO (001) nos suportes da carcaça com cola condutiva de prata do pó. Carrega estes na câmara de vácuo.
  4. Montar o alvo LSMO no injetor do magnétron e em seguida volte a montar a arma. Teste a resistência com um ohmímetro, para evitar um curto-circuito entre o Magneto e o escudo circundante. Fechar que a câmara de vácuo é fechada e a bomba para baixo.
  5. Uma vez que o vácuo é inferior a 1 x 10-4 Pa, aqueça os substratos a 850 ° C, usando uma taxa de aquecimento do conjunto de 15 ° C/min. a distância do alvo-substrato de 8 cm.
  6. Conjunto o controlador de fluxo de massa para 10 sccm de O e 5 o sccm de Ar como trabalhar o fluxo de gás. Use Ar / O misturado de gás para manter o índice catiônica O (3) para La0,67Sr0,33MnO3 material durante o crescimento.
  7. Antes da deposição, pre-estala o alvo LSMO por 20 min a 30 W. High poder levará a rachaduras no destino e usar baixa potência vai levar mais tempo para uma superfície limpa, Então escolhemos 20 min para 30 w.

2. LSMO deposição de nanopartículas

Nota: Esta seção descreve a deposição das nanopartículas LSMO por RF-magnetron sputtering.

  1. Para obter uma pressão de câmara de 25 Pa, ajustar a válvula de tala bomba molecular. Se o valor instantâneo está se tornando maior do que 25 Pa, girá-lo no sentido horário; se torna-se menor que 25Pa, gire no sentido horário. Continue até que a pressão se estabeleceu como um valor estável.
  2. Verifique a temperatura do substrato permanece a 850 ° C e está estável.
  3. Aumente a potência do magnétron de 30 a 80 w. espere por 10 min, até que o plasma está estabilizado.
  4. Abrir o obturador e depositar LSMO no substrato aquecido.
    Nota: Usamos sputtering tempos de 5, 10, 30 e 60 s para quatro amostras.
  5. Feche o obturador. Desliga o poder do magnétron. Feche a válvula de gás e desligue a alimentação do aquecedor.
  6. Fixe as amostras à temperatura ambiente. Estranhamente, isso leva pelo menos duas horas neste sistema. Ventilação da câmara com nitrogênio seco, abri-lo e remover as amostras.

3. GdBa2Cu3O7−δ deposição de filmes

  1. Montar o GdBa2Cu3O7−δalvo na arma do magnétron e, em seguida, volte a montar a arma. Deposite qualquer filmes (Gd) BCO, usando etapas semelhantes às etapas de 1,4-2,8. Use a semelhantes condições de deposição de filmes (Gd) BCO quanto as nanopartículas LSMO, exceto pelo tempo de pulverização catódica, que deve ser de 30 min. Depois disso, o crescimento vai acabar, e próximo passo é o pós-recozimento.
  2. Diminuir a temperatura da amostra a 500° C. Em seguida, abra a válvula de gás para oxigênio para dar uma pressão da câmara de 75.000 PA. Segure as amostras a esta temperatura durante uma hora.
    Nota: A temperatura de 500 ° C e uma pressão da câmara de 75.000 Pa são para uniformemente alcançar LSMO nanopartículas.
  3. Fixe as amostras à temperatura ambiente. Ventilação da câmara com nitrogênio seco, abri-lo e remover as amostras.

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Resultados

A espessura de filmes (Gd) BCO em ambos nus e LSMO decorados STO substrato foi 500nm, que foi medido por um perfilômetro de superfície. A espessura da película era controlada por pulverização catódica tempo. Figura 1a b mostra a imagem AFM de nanopartículas LSMO (sputtering tempo de 10 s) em substratos STO de único-cristal de 1,0 x 1,0 cm para provar que as nanopartículas LSMO cultivadas em substratos STO uniformemente. A superfície e medir a...

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Discussão

Aqui nós demonstramos que esse método pode ser usado para preparar LSMO nanopartículas ferromagnéticas de distribuição uniforme na SrTiO3 substratos do único-cristal (STO). Os filmes (Gd) BCO também podem ser depositados em ambos nus e LSMO decorados substrato STO. Com um ajustamento adequado dos parâmetros depositados, como temperaturas de crescimento e distância do alvo-substrato, este método deve ser útil para depositados diferentes tipos de magnéticos e não magnéticos partículas ou camadas, por exemplo, o ...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (n. º 51502168; No.11504227) e a Fundação Municipal de ciências naturais de Shanghai (No.16ZR1413600). Os autores com gratidão agradecer o centro de análise Instrumental de Shanghai Jiao Tong University e Ma-tek laboratório analítico para obter assistência técnica competente.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Sistema de Deposição por EngasgoShenyang instrumentos científicos Limited by Share LtdSob medida
SrTiO3 substrato de cristal únicoHefei Ke crystal material technology Co., LtdOrientação epi-polida de um lado(001)
La0.67Sr0.33MnO3 alvo de pulverização catódicaHefei Ke material de cristal technology Co., LtdSob medida60 mm de diâmetro
GdBa23O7− δ Alvo de pulverização Hefei Ke crystal material technology Co., Ltd60 mm de diâmetrosob medida
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o Sistema de Medição de Propriedades FísicasDesign QuânticoPPMS 9
Microscópio de Força Atômica de Raios-X ker

Referências

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