Granel e síntese de película fina de óxidos de entropia-estabilizado em termos de composição variantes

Este procedimento pode ajudar a responder a questões-chave na comunidade de óxidos funcionais, como como a desordem química e física afeta diretamente o magnetismo de longo alcance. A principal vantagem desta técnica é que permite um grande grau de afinação na química dos materiais e pode ser aplicada a uma variedade de composições do ESO. Demonstrando o procedimento está Peter Meisenheimer, um estudante de pós-graduação em meu laboratório.

Primeiro, triture os pós de óxido necessários e use uma prensa para comprimir o pó em um pellet para formar o alvo. Sinter o alvo no ar a 1.100 graus Celsius por 24 horas. Em seguida, ainda a 1.100 graus Celsius, remova o cadinho contendo o alvo do forno.

Use pinças para colocar o alvo na mesma superfície tolerante ao calor. Espere que o alvo pare de brilhar e apague rapidamente o alvo em água em temperatura ambiente. Quando o alvo não estiver mais engasgando, remova o alvo da água e deixe-o secar ao ar.

Quando o alvo estiver frio e seco, calcule a densidade alvo e a densidade teórica percentual. Se a densidade medida for insuficiente para a deposição a laser pulsado, reafie e resinre o alvo. Prepare alvos adicionais dessa maneira, conforme desejado.

Polir cada alvo em movimentos circulares usando grãos progressivamente mais finos de papel de carboneto de silício até que a superfície fique reflexiva e uniforme. Armazene os alvos polidos em um dessecador até que estejam prontos para iniciar o procedimento de deposição a laser pulsado. Certifique-se de que um laser excimer pulsado de fluoreto de criptônio de 248 nanômetros com uma largura pulsada de cerca de 20 nanossegundos esteja pronto para uso.

Coloque os alvos polidos no carrossel giratório na câmara de deposição. Coloque um pedaço de papel queimado de dois por dois centímetros no alvo final no caminho do feixe. Pulse o laser uma vez e meça a marca de queima resultante em ambos os eixos.

Ajuste a lente de foco até que o pulso do feixe produza uma elipse de 0,27 por 0,24 centímetros. Em seguida, remova o papel queimado e feche a porta da câmara. Evacue a câmara para 0,5 torr ou 67 pascals com uma bomba de desbaste dry-scroll.

Em seguida, gire a bomba turbo para 1.000 hertz e bombeie para baixo a câmara de deposição até uma pressão de base de pelo menos 10 elevado ao sétimo torr negativo ou 1,3 vezes 10 elevado ao quinto pascal negativo, conforme medido por um medidor de ionização. Assim que essa pressão for atingida, reduza a bomba turbo para 200 hertz. Em seguida, sonice um único substrato cristalino de óxido de magnésio polido unilateralmente por dois minutos cada em tricloroetileno de grau semicondutor, acetona de grau semicondutor e álcool isopropílico de alta pureza.

Seque o substrato com gás nitrogênio comprimido ultra-seco. Use uma pequena quantidade de tinta prateada termicamente condutora para fixar o substrato em uma placa de substrato. Aqueça o substrato e o cilindro em uma placa quente por 100 graus Celsius por 10 minutos para curar a tinta.

Use a ferramenta de transferência externa para colocar a placa do substrato no braço de transferência na trava de carga do PLD. Feche e bombeie a trava de carga para pelo menos 10 elevado ao sétimo torr ou 1,3 vezes 10 elevado ao quinto pascal negativo. Em seguida, abra a válvula de gaveta entre a trava de carga e a câmara de deposição e use o braço de transferência para montar o cilindro no conjunto do aquecedor.

Retraia o braço de transferência na trava de carga e feche a válvula gaveta. Abaixe o aquecedor para atingir uma distância alvo do substrato de sete centímetros. Em seguida, coloque um medidor de energia no caminho do feixe logo antes da câmara.

Irradiar o fotodíodo do medidor com 50 impulsos de laser a uma taxa de dois hertz e determinar a energia média. Ajuste a tensão de excitação do laser para atingir uma energia de pulso média de 310 milijoules, com uma estabilidade de mais ou menos 10 milijoules. Remova o medidor de energia quando terminar.

Aqueça o substrato a 1.000 graus Celsius a 30 graus Celsius por minuto sob vácuo. Mantenha o substrato nessa temperatura por 30 minutos para desidroxilar a superfície do cristal de óxido de magnésio. Em seguida, resfrie o substrato a 300 graus Celsius a 30 graus Celsius por minuto e deixe o substrato se equilibrar nessa temperatura por 10 minutos.

Quando a pressão parcial de oxigênio estiver estável, defina o alvo desejado para raster e gire e certifique-se de que o obturador do substrato esteja fechado. Ablação do alvo para 2.000 pulsos a uma taxa de cinco hertz. Em seguida, abra o obturador do substrato, pulse o laser 10.000 vezes a seis hertz para depositar um filme de óxido estabilizado por entropia de aproximadamente 80 nanômetros de espessura no substrato.

Após o término da deposição, aumente a pressão parcial de oxigênio na câmara para um torr ou 133 pascals para inibir a formação de vagas de oxigênio. Resfrie a amostra a 40 graus Celsius a 10 graus Celsius por minuto. Em seguida, feche o fluxo de gás oxigênio e deixe a pressão da câmara se estabilizar.

Abra a válvula gaveta, levante o aquecedor e use o braço de transferência para mover a placa do substrato para a trava de carga. Feche a válvula gaveta e ventile a trava de carga à pressão atmosférica. Remova a placa do substrato usando a ferramenta de transferência externa.

Use uma lâmina de barbear para separar a amostra e o cilindro. Polir o cilindro para remover a tinta prateada e o material depositado quando terminar. Duas difrações de raios-X-ômega de óxidos estabilizados por entropia variante de cobalto e variante de cobre como cerâmicas a granel mostraram que as amostras sintetizadas eram a estrutura de sal-gema sem fases secundárias.

Os filmes depositados eram monocristalinos e epitaxiais ao substrato de óxido de magnésio orientado zero-zero-um, como mostrado apenas pelos picos de filme zero-zero-dois e zero-zero-quatro observados. Franjas de Laue foram observadas ao redor desses picos, indicando que os filmes eram de alta qualidade cristalina com interfaces suaves. O período de oscilação foi consistente com uma espessura de filme de aproximadamente 80 nanômetros.

espectroscopia de fotoelétrons de raios-X mostrou que seus cátions constituintes estavam no estado de oxidação de dois mais e, se aplicável, eram de alto spin. As composições calculadas a partir desses espectros corresponderam às composições nominais com menos de 1% de erro. Os mapas de espectroscopia de raios X por energia dispersiva foram consistentes com as composições nominais e indicaram que os filmes eram quimicamente homogêneos.

A microscopia de força atômica mostrou que os filmes finos eram planos em uma faixa de varredura de cinco micrômetros por cinco micrômetros com valores de rugosidade quadrada média da raiz da célula da subunidade. Os dados de XRD ômega de dois de baixo ângulo concordaram com esses números de rugosidade. A rugosidade pico a pico foi de aproximadamente 3,3 angstroms para todos os filmes.

Os óxidos estabilizados por entropia são um campo de estudo nascente com muitas propriedades desejáveis. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como sintetizar materiais de óxido estabilizados por entropia de filme fino e a granel. O PLD é um método ideal para a deposição de filmes finos cristalinos simples de alta qualidade para investigar funcionalidades exóticas e, portanto, é a melhor técnica para facilitar o estudo de óxidos estabilizados por entropia de filme fino.