Rádio frequência Magnetron Sputtering do GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO BICAMADA de quase3 filmes em substratos de único-cristal SrTiO3 (STO)
12 de abril de 2019
Aqui, apresentamos um protocolo para crescer LSMO nanopartículas e (Gd) BCO filmes em (001) SrTiO3 (STO) único-cristal substratos por rádio frequência (RF)-sputtering.
Este método pode criar as nanopartículas LSMO uniformemente em um substrato de cristal único STO. Além disso, o filme GBCO pode ser obtido através do mesmo método na mesma câmara de vácuo. A principal vantagem desta tecnologia é que as nanopartículas LSMO com tamanho uniforme e filme GBCO supercondutor de alta qualidade podem ser depositadas na mesma câmara de vácuo.
Este método pode fornecer informações sobre a área de deposição de filmes, área de crescimento de nanopartículas, etc. Também pode ser aplicado à deposição de filme de metal, deposição de nanopartículas de metal, etc. Este método permitirá que os pesquisadores se familiarizem com equipamentos de vácuo e aprendam mais sobre a tecnologia de crescimento de filmes.
Primeiro, o óxido de titânio de titânio monostratos de estrôncio em isopropanol e água deionizada por 10 minutos cada um em temperatura ambiente em um banho ultrassônico. Em seguida, seque os substratos com nitrogênio. Isso promove a cobertura uniforme do substrato e a boa adesão ao filme.
Monte os substratos STO 001 orientados em suportes de substrato com cola condutora em pó prateado. Coloque os suportes em uma câmara de vácuo. Monte um alvo LSMO em uma arma de injeção de magnetron, e depois remonte a arma.
Teste a resistência com um ohmômetro para evitar um curto-circuito entre o magnetron e o escudo circundante. Em seguida, feche a câmara de vácuo e bombeie para baixo. Uma vez que o vácuo é inferior a uma vezes 10 a menos quatro pascals, aqueça o substrato a 850 graus Celsius usando uma taxa de aquecimento de 15 graus Celsius por minuto.
Defina a distância do substrato alvo para oito centímetros. Em seguida, defina o controlador de fluxo de massa para 10 centímetros cúbicos padrão por minuto de oxigênio e cinco centímetros cúbicos padrão por minuto de argônio como o fluxo de gás de trabalho. Antes do depoimento, pré-sputter o alvo LSMO por 20 minutos a 30 watts.
Para obter uma pressão de câmara de 25 pascals, ajuste a válvula de tala da bomba molecular. Se o valor instantâneo se tornar maior que 25 pascals, gire-o no sentido anti-horário. Se ele ficar menor que 25 pascals, gire-o no sentido horário.
A seguir, verifique se a temperatura do substrato permanece em 850 graus Celsius e está estável. Aumente a potência do magnetron de 30 para 80 watts. Depois que o plasma estiver estabilizado, abra o obturador e deposite LSMO no substrato aquecido.
Uma vez que o depoimento esteja completo, feche o obturador e desligue a energia do magnetron. Em seguida, feche a válvula de gás e desligue a energia do aquecedor. Depois de resfriar as amostras à temperatura ambiente, desabassize a câmara com nitrogênio seco.
Em seguida, abra a câmara e remova as amostras. Monte o alvo de oxigênio de cobre de gadolínio bário na pistola de injeção de magnetron, e depois remonte a arma. Deposite os filmes de oxigênio de cobre de bário gadolínio como descrito anteriormente, usando condições semelhantes, exceto pelo tempo de sputtering, que deve ser de 30 minutos.
Em seguida, diminua a temperatura da amostra para 500 graus Celsius. Em seguida, abra a válvula de gás para oxigênio para dar uma pressão de câmara de 75.000 pascals, e segure as amostras a esta temperatura por uma hora. Depois de resfriar as amostras à temperatura ambiente, desabassize a câmara com nitrogênio seco.
Em seguida, abra a câmara e remova as amostras. A imagem AFM de uma nanopartícula LSMO em substratos STO mostra crescimento uniforme. Os padrões XRD de filmes de oxigênio de cobre de bário gadolínio fabricados em substratos STO não decorados e nanopartículas LSMO são mostrados aqui.
A temperatura de transição supercondutora foi próxima de 90,5 kelvin para o filme de oxigênio de cobre de gadolínio e 90,3 kelvin para os filmes da LSMO, o que indica que as nanopartículas não prejudicam a propriedade supercondutora para os filmes. Em comparação, a área de loop de histerese magnetização é muito maior, de zero a seis tesla, com 30, 50 e 77 kelvin para filmes fabricados em substratos decorados com LSMO. O filme de oxigênio de cobre de bário gadolínio depositado em um substrato decorado pela LSMO possui uma densidade de corrente crítica mais alta de 1,3 a seis tesla a 30 kelvin e de zero a seis tesla em 77 kelvin.
Com 30 kelvin, a amostra decorada tem uma densidade de força de fixação maior acima de 1,3 tesla. Aos 77 kelvin, a densidade mudou para um valor H mais alto para a amostra decorada. A dependência angular da densidade de corrente crítica em 3 tesla e 77 kelvin para o filme decorado pelo LSMO mostra um aumento ao longo do eixo C, sugerindo que ele é mais eficaz em uma orientação de campo magnético paralela à direção do eixo C.
Este método envolve muitas etapas e detalhes, por isso a demonstração visual é fundamental para entender e dominar esse método. Após seu desenvolvimento, este método permite o depósito de filmes de óxido e nanopartículas, bem como filmes de metal e nanopartículas. Após seu desenvolvimento, este método permite o depósito de filmes de óxido e nanopartículas, bem como filmes de metal e nanopartículas.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para o crescimento de nanopartículas de LSMO e filmes de Gd BCO sobre substratos de monocristal de SrTiO3 utilizando pulverização catódica por radiofrequência. O método permite a deposição uniforme de nanopartículas e filmes na mesma câmara de vácuo.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Síntese de nanopartículas
- Deposição de filmes finos
- Materiais supercondutores
Antecedentes
- As nanopartículas de LSMO são importantes para diversas aplicações.
- Os filmes de GBCO são conhecidos por suas propriedades supercondutoras.
- A combinação desses materiais pode melhorar o desempenho em dispositivos eletrônicos.
- O uso da mesma câmara de vácuo racionaliza o processo de deposição.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para o crescimento uniforme de nanopartículas de LSMO.
- Obter filmes de GBCO de alta qualidade sobre substratos monocristalinos.
- Fornecer informações sobre as áreas de crescimento de filmes e nanopartículas.
Métodos Utilizados
- Técnica de pulverização por radiofrequência.
- Deposição em substratos de (001) SrTiO3.
- Utilização de uma câmara de vácuo para deposição simultânea.
- Caracterização da qualidade de nanopartículas e filmes.
Resultados Principais
- Tamanho uniforme de nanopartículas de LSMO obtido.
- Deposição de filmes supercondutores de GBCO de alta qualidade.
- Obtenção de informações sobre o processo de deposição.
- Método aplicável à deposição de outros filmes metálicos e nanopartículas.
Conclusões
- O protocolo permite a deposição eficiente de nanopartículas e filmes.
- Os pesquisadores podem aprender sobre equipamentos de vácuo e tecnologia de crescimento de filmes.
- Este método possui aplicações potenciais em diversas áreas da ciência dos materiais.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a deposição uniforme de nanopartículas de óxido funcionais e filmes supercondutores em uma única câmara de vácuo, possibilitando a síntese reprodutível de materiais para descobertas em estágios iniciais. Ao integrar a funcionalização com nanopartículas ao crescimento de filmes de alta qualidade, fornece uma plataforma para investigar efeitos interfaciais em sistemas de óxidos complexos relevantes para aplicações eletrônicas e spintrônicas. A abordagem aumenta a confiança preditiva no ajuste de propriedades de materiais por meio da engenharia controlada de nanoestruturas.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar como perturbações magnéticas em escala nanométrica influenciam a simetria do parâmetro de ordem supercondutora e a dinâmica de vórtices.
- Valor Operacional: Fornece um processo padronizado para gerar distribuições ajustáveis de densidade e tamanho de nanopartículas em substratos monocristalinos.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Facilita a preparação de sistemas modelo com parâmetros estruturais e morfológicos quantificáveis para análise correlativa de propriedades.
- Valor Operacional: Apoia a reprodutibilidade semelhante a ensaios na estequiometria do filme, fase cristalina e controle de espessura ao longo de múltiplas corridas de deposição.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Permite a avaliação de como a deformação interfacial e a dispersão de spin nas heterojunções de óxidos afetam a densidade de corrente crítica e o panorama de ancoragem.
- Valor Operacional: Oferece uma abordagem para avaliar as relações entre estrutura e propriedades sob diferentes orientações do campo magnético e temperaturas, contribuindo para a mitigação de riscos em arquiteturas funcionais de óxidos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método posiciona a síntese de materiais na fase de descoberta, permitindo a exploração orientada por hipóteses de heteroestruturas de óxidos antes da integração em dispositivos funcionais.
- Biologia de Descoberta: Permite a variação sistemática da funcionalização de nanopartículas para investigar fenômenos emergentes em interfaces ferromagneto-supercondutoras.
- Triagem: Fornece compósitos reprodutíveis de filmes finos e nanopartículas com transições supercondutoras e magnéticas mensuráveis para triagem comparativa.
- Análises: Gera resultados quantitativos, incluindo densidade de corrente crítica, histerese de magnetização e força de aprisionamento dependente do ângulo, para mapeamento entre propriedades e atividade.
- Pesquisa Translacional: Relaciona parâmetros de síntese com métricas de desempenho funcional, permitindo avaliação ajustada ao risco de camadas ativas baseadas em óxidos.
- Reutilização Empresarial: Estabelece um protocolo de pulverização catódica reutilizável e adaptável a outros sistemas de óxidos complexos e nanocompósitos metal/óxido.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Permite a eliminação mecanicista de riscos nas interações de supercondutividade com spin por meio do controle preciso de nanoestruturas.
- Valor Operacional: Garante a reprodutibilidade entre câmaras e entre ciclos quanto à cinética de deposição e à qualidade dos filmes.
- Valor Estratégico: Reduz o tempo do ciclo de desenvolvimento ao integrar a síntese de nanopartículas e de filmes em um único processo a vácuo.
- Impacto no Portfólio: Apoia decisões de prosseguir ou interromper o desenvolvimento de heteroestruturas de óxidos com base em dados estruturais e de transporte correlacionados.
Considerações de Implementação
- Expertise em deposição a vácuo de filmes finos, preparação de substratos e otimização de parâmetros de pulverização catódica.
- Sistema de pulverização catódica por radiofrequência com controle de fluxo mássico, aquecimento de substrato e controle de obturador.
- Padronização da distância entre alvo e substrato, proporções de gases, rampa de potência e protocolos de ciclagem térmica.
- Considerações de adaptação para substratos com desajuste de rede e alvos alternativos de óxidos ou metálicos.
- Limitações práticas incluem a sensibilidade à estequiometria de oxigênio durante a recozimento pós-deposição e os efeitos de tensão induzidos pelo substrato.
