Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

السائبة وتوليف رقيقة أكاسيد استقرت الانتروبيا شكل تركيبي البديل

Published: May 29, 2018 doi: 10.3791/57746
Automatic Translation
*1, *1, *1, 1
1Department of Materials Science and Engineering, University of Michigan
* These authors contributed equally

Summary

تركيب الجملة ذات جودة عالية ورقيقة (ملغ0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cu0.25(1-x)الزنك0.25(1-x)Cox) س و (ملغ0.25(1-x)Co0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cuxالزنك0.25(1-x )) أكاسيد استقرت الانتروبيا س يرد.

Abstract

نقدم هنا، إجراء لتركيب الجملة ورقيقة مولتيكومبونينت (ملغ0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cu0.25(1-x)الزنك0.25(1-x)Cox) س (المتغير Co) و (ملغ0.25(1-x)Co0.25(1-x)ني 0.25(1-x) Cuxالزنك0.25(1-x)) س (Cu البديل) استقرت الانتروبيا أكاسيد. مرحلة نقية ومتجانسة كيميائيا (ملغ0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cu0.25(1-x)الزنك0.25(1-x)Cox) س (x = 0.20، 0.27، 0.33) و (ملغ0.25(1-x)Co0.25(1-x)ني0.25(1-x) Cuxالزنك0.25(1-x)) س (x = 0.11، 0.27) الكريات السيراميك يتم تصنيعه والمستخدمة في ترسب فائقة الجودة، المرحلة الأغشية الرقيقة بلورية نقية، واحدة من ستويتشيوميتري الهدف. ويرد وصف منهجية مفصلة لترسب أكسيد السلس، ومتجانسة كيميائيا، استقرت الانتروبيا الأغشية الرقيقة بالليزر النبضي ترسب على ركائز MgO (001 (المنحى. وأكدت المرحلة وكريستالينيتي السائبة والمواد رقيقة هي استخدام حيود الأشعة السينية. تكوين والتجانس الكيميائية تؤكدها مطيافية الأشعة السينية النانومترية والطاقة مطيافية الأشعة السينية المشتتة. يتم قياس التضاريس السطحية للأغشية الرقيقة بالفحص المجهري التحقيق. تركيب ذات جودة عالية، الأغشية الرقيقة أكسيد البلورية، استقرت الانتروبيا واحدة تمكن الدراسة من واجهة، والحجم، وسلالة، وآثار الاضطراب على الخصائص في هذه الفئة الجديدة من مواد أكسيد شدة اضطرابه.

Introduction

منذ اكتشاف سبائك معدنية عالية-الانتروبيا في عام 2004، مواد عالية-الانتروبيا قد اجتذبت اهتماما كبيرا بسبب خصائص مثل زيادة صلابة1،2،3، المتانة4، 5، ومقاومة التآكل3،6. في الآونة الأخيرة، تم اكتشاف أكاسيد عالية-الانتروبيا7،8 ورد9 ، فتح ملعب كبير لهواة المادية. أكاسيد، على وجه الخصوص، يمكن أن تظهر خصائص وظيفية مفيدة وحيوية مثل فيرروليكتريسيتي10و11،ماجنيتوليكتريسيتي12ثيرموليكتريسيتي13الموصلية الفائقة14 . أكاسيد استقرت الانتروبيا (ESOs) أظهرت مؤخرا أن تمتلك مثيرة للاهتمام، وتعتمد على شكل تركيبي الخصائص الفنية15،16، وعلى الرغم من اضطراب كبير، مما يجعل هذه الفئة الجديدة من المواد خاصة مثيرة.

استقرت الانتروبيا مواد متجانسة كيميائيا، متعددة المكونات (عادة بعد خمسة أو أكثر من مكونات)، المواد الوحيدة فيها مساهمة انتروبيك تنجز (Equation 1) إلى طاقة جيبس الحرة (Equation 2) كبير يكفي لدفع تشكيل وحيد المرحلة الصلبة الحل17. تخليق ESOs متعددة المكونات، حيث لوحظ اضطراب تنجز الأيوني عبر مواقع الأيونات الموجبة، تتطلب تحكماً دقيقا في تكوينها، ودرجة الحرارة ومعدل الترسيب، إخماد معدل، واخماد درجة الحرارة7،16 . ويسعى هذا الأسلوب لتمكين ممارس القدرة على توليف مرحلة نقية ومتجانسة كيميائيا من أكسيد استقرت الانتروبيا السيراميك الكريات ومرحلة نقية، واحد البلورية، شقة الأغشية الرقيقة من ستويتشيوميتري المطلوب. المواد السائبة يمكن توليفها مع أكبر من الكثافة النظرية 90% مما يتيح دراسة الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية، والهيكلية أو استخدامها كمصادر رقيقة المادية بخار ترسب (الترسيب الفيزيائي للبخار) تقنيات. وستعرض أكاسيد استقرت الانتروبيا النظر هنا يكون خمسة الكاتيونات، تقنيات الترسيب الفيزيائي للبخار رقيقة التي توظف خمسة مصادر، مثل الحزمة الجزيئية تنضيد (MBE) أو المشترك اﻷخرق، مع التحدي المتمثل في إيداع طبقات رقيقة متجانسة كيميائيا الواجب إلى تدفق الانجراف. وينتج هذا البروتوكول واحدة متجانسة كيميائيا، بلورية، مسطحة (الجذر-يعني-ساحة (RMS) خشونة ~0.15 نيوتن متر) أكسيد استقرت الانتروبيا الأغشية الرقيقة من مصدر مادي واحد، مما يبين أن تمتلك التركيب الكيميائي الأسمى. ويمكن تعزيز هذا البروتوكول توليف رقيقة بإدراج تقنيات الوصف البصري للرصد في الوقت الحقيقي للتوليف ومراقبة نوعية راقية أو في الموقع الإلكتروني. القيود المتوقعة من هذا الأسلوب تنبع من الانجراف الطاقة الليزر التي قد تحد من سمك أفلام عالية الجودة يكون أقل من 1 ميكرومتر.

وعلى الرغم من التقدم الكبير في النمو وتوصيف رقيقة أكسيد المواد10،18،19،،من2021، العلاقة بين الفراغية و بنية إلكترونية في أكاسيد يمكن أن يؤدي إلى وجود اختلافات كبيرة في المواد النهائية الناجمة عن الاختلافات المنهجية التي تبدو تافهة. وعلاوة على ذلك، مجال أكاسيد متعددة المكونات استقرت الانتروبيا الوليدة بدلاً من ذلك، مع التقارير الحالية سوى اثنين من التوليف رقيقة في7،الأدب16. ESOs تصلح جيدا لهذه العملية، والالتفاف حول التحديات التي ستقدم بترسب البخار الكيميائي وتنضيد الحزمة الجزيئية. هنا، نحن نقدم بروتوكول توليف مفصلة الأكبر ورقيقة الأفلام ESOs (الشكل 1)، بغية التقليل إلى أدنى حد من مواد معالجة الصعوبات، تباينات الملكية غير مقصودة، والتعجيل باكتشاف في المجال تحسين.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تنبيه: ارتداء اللازمة معدات الوقاية الشخصية (معدات الوقاية الشخصية) بما في ذلك إغلاق الأصابع أحذية وسروال كامل طول ونظارات السلامة، قناع تنقية الجسيمات، ومعطف مختبر وقفازات كأكسيد مساحيق تشكل خطرا للاتصال تهيج الجلد وتهيّج العين الاتصال. استشارة جميع صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة قبل بداية الاحتياجات الإضافية من معدات الوقاية الشخصية. وينبغي أن يتم توليف باستخدام ضوابط هندسية مثل غطاء دخان.

1-معظم توليف أكاسيد استقرت الانتروبيا

  1. حساب كتلة من المساحيق المكونة من أكسيد
    1. تقدير الكتلة الإجمالية المطلوبة للهدف بضرب وحدة التخزين المطلوبة بمتوسط كثافة أكسيد ثنائي المكونة لها.
      Equation 3
      Equation 4
      حيث Equation 5 و Equation 6 الكسر الخلد والكثافة Equation 7 العنصر th. ل 1 "قطر (2.54 سم)، ⅛" وحدة التخزين الهدف عينة سميكة (0.3175 سم)، Equation 8 1.7 سم3.
    2. تحديد جزيئات المطلوبة لكل مكون بقسمة هذا الهدف كتلة كتلة المولى متوسط أكسيد ثنائي التأسيسية.
      Equation 9
      Equation 10
      حيث Equation 11 هو كتلة المولى Equation 7 العنصر th. تحويل عدد الشامات، Equation 12 ، العودة إلى غراما من
      Equation 13
      ملاحظة: يتم إعطاء الجماهير من المكونات والتراكيب المستهدفة للمواد المركبة هنا في الجدولين 1 و 2.
  2. تجهيزها من مساحيق أكسيد
    1. تنظيف عقيق المدقة والهاون بالنقش مع 20 مل ريجيا أكوا (HNO3 + 3 HCl). صب الحامض في قذائف الهاون وطحن مع المدقة حتى الجزء السفلي من الواضح. التخلص من الحامض بشكل صحيح وشطف بالماء.
    2. الجمع بين ز 0.559 من MgO، 1.103 ز من سجع، 1.035 ز لظاهرتي، ز 1.103 من CuO، و 1.129 ز من مساحيق أكسيد الزنك (لتكوين اكويمولار) بقذائف الهاون نظيفة.
    3. استخدام مدقة نظيفة، طحن مسحوق استخدام الاقتراحات عقارب الساعة ليتحول 20، ثم يتحول 20 عكس اتجاه عقارب الساعة. كرر هذه العملية على الأقل 45 دقيقة استعمال ملعقة معدنية نظيفة إزالة مسحوق من الجانبين من قذائف الهاون وفرشاة المسحوق وصولاً إلى مركز قذائف الهاون.
      ملاحظة: مسحوق خلط وطحن بالكامل عندما يكون المسحوق متجانس ورمادي-أسود اللون، يظهر ناعما الأرض، ويشعر على نحو سلس.
    4. نقل المسحوق في وعاء نظيف، ويمكن إغلاقها بشرط للنقل.
  3. الملحة بيليه السيراميك
    تنبيه: ارتداء القفازات ونظارات السلامة عند تجميع يموت وأثناء استخدام الصحافة. نفذ الخطوات تنظيف والجمعية يموت كامل على سطح ورقة نظيفة. ويبين الشكل 2المكونات المستخدمة.
    1. تليين الجانبين ووجه صغيرة أسفل المكبس (ج المسمى في الشكل 2 ألف و 2 باء) ليموت مع الزيوت المعدنية الداخلية وإدراج الاسطوانة يموت حتى يتم طرد مع الجزء السفلي.
    2. لفة ورقة وزنها في تجويف يموت حتى أن تغطي الجانبين من الموت. صب المسحوق في الجزء السفلي من الموت. دون السماح بالمكبس الصغيرة تسقط من يموت، اضغط بلطف الجزء الخاص بالعداد لإزالة أي جيوب هوائية ومستوى المسحوق. إزالة الورق تزن بعناية.
    3. إضافة كمية قليلة من الأسيتون في مسحوق في تجويف يموت لتشكيل الطين. وهذا يتيح تدفق الحبوب بينما الهدف هو تحت الضغط ويحول دون تشكيل الفراغات.
    4. تليين الجانبين والوجه الداخلي للمكبس (الجزء باء في الشكل 2 ألف و 2 باء) مع زيت البارافين، مع الحرص على عدم إزعاج المسحوق. إدراج هذا الجزء في الموت. ضع يموت المجتمعون في آلة الضغط كما في الصورة في الشكل 2 (ج)، بما في ذلك لوحات العلوي والسفلي (أجزاء د في الشكل 2 أ و 2b) لتوفير سطح حتى.
    5. ضع يموت في الصحافة أونياكسيال الباردة. مضخة الذراع الصحافة حتى يتم التوصل إلى 200 الآلام والكروب الذهنية. السماح للصحافة الجلوس في حالة ضغط لمدة 20 دقيقة. سوف الاسترخاء الضغط مع مرور الوقت المسحوق دينسيفيس. إضافة الضغط حسب الحاجة للحفاظ على 200 الآلام والكروب الذهنية لمدة الملحة. مسح بعيداً أي مذيب الزائد الذي تسرب من الموت.
    6. الإفراج عن ضغط الصحافة. بعناية إزالة لوحات العلوي والسفلي. ضع إزالة غمد وإزالة المكبس كما هو مبين في الشكل 2 (ج). اضغط ببطء، إزالة قطعة صغيرة يموت من الجمعية العامة قبل كشف الهدف الذي تم الضغط عليه. اضغط على الجمعية بعناية حتى يتم كشف الهدف من الموت. بعناية إزالة الجسم الأخضر ونقل إلى بوتقة تلبد.
  4. تلبد السيراميك
    تنبيه: سوف تطفئ المواد المستهدفة من ارتفاع درجات الحرارة. ارتداء قفازات مقاومة للحرارة ودرع وجه عند إزالة البوتقة من الفرن الساخن.
    1. الحصول على بوتقة ألومينا التي سيكون من المناسب أن المسحوق الذي تم الضغط عليه والخرز طبقة 2 مم من يترياستابيليزيد زركونيا (يسز) 0.1-0.2 مم. معطف الجزء السفلي من البوتقة مع الخرز يسز.
      ملاحظة: يجب أن يكون الطلاء حوالي 2 مم في السمك التأكد من أن الهدف ليس الاتصال الجزء السفلي من البوتقة.
    2. نقل ببطء وعناية هدف الضغط على من البوتقة وسط.
    3. باستخدام ملقط معدني، النقل بعناية في البوتقة للفرن تلبد. زيادة درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية في 50 درجة مئوية دقيقة-1. الملبدات الهدف ح 24 في 1,100 درجة مئوية في جو هواء.
    4. بينما في 1100 درجة مئوية، إزالة البوتقة من الفرن. باستخدام ملقط، يشفي بسرعة الهدف في الماء في درجة حرارة الغرفة. سوف تفل الهدف ~ 30 s، ثم قم بإزالتها من المياه وتعيين إلى الجاف.
    5. بمجرد الهدف بارد وجاف، قياس كثافة المستهدفة ومقارنة بالقيمة النظرية، Equation 14 ، والمحسوبة في الجزء 1. قياس كتلة المستهدفة على التوازن المستخدمة سابقا، وقياس الأبعاد باستخدام الفرجار. نسبة الكثافة يقاس بالقيمة المقدرة، Equation 15 ، يعطي الكثافة النظرية النسبة المئوية.
      ملاحظة: بعد التوليف، الكثافة هو عادة ~ 80% الكثافة النظرية.
    6. لكثافة أعلى، regrind متكلس الهدف باستخدام مدقة وهاون وكرر الإجراء "تجميع الجزء الأكبر" من الخطوة 1.2.3. وبعد تلبد الثاني، تحديد كثافة الهدف.
      ملاحظة: عادة ما يتم قياس كثافة Equation 16 الكثافة النظرية، ومناسبة لترسب الليزر النبضي (PLD).

2-الملعوبة ايسو البلورة الأحادية الأفلام

  1. إعداد الهدف
    1. الآن معظم الكريات السيراميك توليفها في الخطوة 1 سيكون بمثابة مصادر ترسب (الأهداف). البولندية الهدف (ق) في حركة دائرية باستخدام الحصى (320/600/800/1,200) تدريجيا من الورق SiC حتى السطح عاكس وموحدة.
    2. وضع الأهداف على دائري الدورية داخل الدائرة ثم ضع قطعة ورق النسخ ~ 2 سم × 2 سم على الهدف النهائي في مسار الشعاع.
    3. قياس حجم بقعة الليزر بإطلاق رصاصة واحدة على الهدف وقياس علامة حرق الناتج عبر كلا المحاور. إذا لم يكن حجم البقعة الصحيحة، ضبط تركيز العدسة (الشكل 3a). ضبط حجم بقعة المقاسة حتى يتحقق قطع ناقص، 0.27 سم × 0.24 سم عبر محاور على حد سواء.
    4. قم بإزالة ورق النسخ وأغلق الباب للإجلاء. إخلاء قاعة استخدام تمرير جافة التخشين مضخة لضغط 6.7 السلطة الفلسطينية، وعند هذه النقطة يمكن نسج المضخة التوربينية تصل إلى معدل 1,000 هرتز.
    5. مضخة خارج الدائرة إلى ضغط قاعدة على الأقل 1.3 × 10-5 السلطة الفلسطينية كما تقاس مقياس أيون. بمجرد التوصل إلى خفض توربو إلى سرعة 200 هرتز للسماح باستخدام غاز عملية أثناء النمو.
  2. إعداد سفلية
    1. تنظيف واحدة بلورية، جانب واحد مصقول، الركيزة MgO سميكة 0.5 مم من سونيكيشن لكل دقيقتين في أشباه الموصلات الصف إثيلين ثلاثي كلور (التقليدي) وأشباه الموصلات الصف الأسيتون الايزوبروبانول درجة نقاء عالية (IPA).
    2. ينفخون الركازة مع الغاز2 ن مضغوط وجافة جداً، وإرفاق الركيزة الركيزة التجويف البلاتيني (الشكل 3b) مع كمية صغيرة من الطلاء الفضة موصلة حرارياً. بتسخين الركيزة والتجويف البلاتيني لدرجة مئوية لمدة 10 دقيقة على لوحة الساخن لعلاج الطلاء الفضة.
    3. باستخدام أداة التحويل الخارجي، مكان صاحب الركازة على ذراع نقل في قاعة تحميل القفل، ثم ختم وتضخ إلى الدائرة ضغط على الأقل 1.3 × 10-4 السلطة الفلسطينية.
    4. نقل الركيزة في غرفة النمو بفتح صمام البوابة بين البلدين واستخدام ذراع نقل إلى مكان التجويف البلاتيني الركازة على الجمعية سخان.
    5. سحب ذراع نقل مرة أخرى إلى تأمين الحمولة وإغلاق البوابة. انخفاض سخان استخدام الجمعية المسمار على رأس الدائرة.
  3. طاقة الليزر وفلوينس
    ملاحظة: يتم تمكين ترسب التشعيع من 248 ليزر اكسيمر نابض أولياء شمال البحر الأبيض المتوسط. عرض نبضات الليزر هو ~ 20 ns.
    1. قياس طاقة الليزر باستخدام مقياس الطاقة وضعها في مسار الشعاع، قبل دخول قاعة (الشكل 3a). تحديد الطاقة يعني بعد الإشعاعية الضوئي مع البقول 50 بمعدل 2 هرتز.
    2. تختلف الجهد الإثارة من الليزر حتى يتم التوصل إلى طاقة نبض متوسط من 310 مللي جول مع ± 10 مللي جول الاستقرار. إزالة العداد الطاقة من مسار الشعاع للسماح بالليزر لتمرير في الدائرة.
      ملاحظة: باستخدام توهين ليزر من إطار الدائرة 10%، يعطي التكوين أعلاه فلوينس من 2.55 سم ي-2. المسافة المستهدفة الركيزة في هذا العمل 7 سم. فرق مختلفة الركيزة-هدف قد تتغير ظروف ترسب مثالية ومعدل النمو.
  4. الترسب
    1. أمام النمو، بتسخين الركيزة إلى 1000 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة في معدل 30 درجة مئوية دقيقة-1 في الفراغ ديهيدروكسيليزي على سطح البلورة MgO. خفض درجة الحرارة إلى 300 درجة مئوية في درجة 30 دقيقة-1 والسماح لحجته لمدة 10 دقائق.
      ملاحظة: لدينا درجات الحرارة المبلغ عنها التي تحددها الحرارية داخل كتلة سخان.
    2. تدفق فائقة النقاء (99.999%) O غاز2 في قاعة الوصول إلى ضغط 6.7 السلطة الفلسطينية.
      ملاحظة: عندما الأوكسجين جوا إلى الدائرة، هناك الضغط يتم قياسها باستخدام مقياس باروترون. هو عرض الغاز باستخدام وحدة تحكم بتدفق جماعي، كجزء من نظام الحلقة المغلقة التي تستقر غرفة الضغط أثناء النمو.
    3. تنظيف هدفا لأي ملوثات المتبقية وإعدادهم للنمو بالاجتثاث المسبق. تعيين الهدف المحدد إلى النقطية وتدوير، حيث أن الليزر لا يضرب في نفس المكان في كل مرة، وضمان أن مصراع الركازة مغلق ويجتذ هدفا لنبضات 2,000 بمعدل 5 هرتز.
      ملاحظة: الهدف مستعدة الآن، وهذا النظام في الشروط الصحيحة (درجة الحرارة والضغط وفلوينس) لترسب.
    4. فتح المصراع قبل الترسيب. في هذه الظروف، تنتج نبضات 10,000 في 6 هرتز لهيدا ~ 80 نانومتر سميكة.
      ملاحظة: معدل النمو هذا تحدده انعكاسية الأشعة السينية في العمل السابق16.
    5. بعد الترسيب، زيادة ضغط الأكسجين الجزئي إلى 133 السلطة الفلسطينية (بالتور 1.0) تحول دون تشكيل الشواغر الأوكسجين. خفض درجة حرارة العينة إلى 40 درجة مئوية في درجة 10 دقيقة-1. حالما يتم التوصل إلى 40 درجة مئوية، إغلاق تدفق الأوكسجين، وبعد استقرار الضغط، فتح صمام البوابة بين دائرة النمو وتأمين الحمولة. رفع السخان واستخدام ذراع نقل لإزالة التجويف البلاتيني الركيزة من الجمعية مرة أخرى إلى تأمين الحمولة.
    6. التنفيس عن قفل التحميل إلى الغلاف الجوي وإزالة العينة باستخدام أداة التحويل الخارجي. إزالة النموذج من التجويف البلاتيني باستخدام شفرة حلاقة والبولندية التجويف البلاتيني أن تقلع الطلاء الفضة المتبقية وأودعت المواد. كرر الإجراء بدءاً من الخطوة 2، 2 للنمو الفيلم إضافية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

أطياف حيود الأشعة السينية (XRD) واتخذت من كلا استعداد (ملغ0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cu0.25(1-x)الزنك0.25(1-x)Cox) س (x = 0.20، 0.27، 0.33) و (ملغ0.25(1-x)Co0.25(1-x)ني0.25(1-x )Cuxالزنك0.25(1-x)) س (x = 0.11، 0.27) الجزء الأكبر من السيراميك (الشكل 4a) وأودعت الأغشية الرقيقة (الشكل 4 باء). وتوضح هذه البيانات أن العينات هي مرحلة واحدة، ويمكن استخدامها في تصميم ثابت شعرية ونوعية بلورية وسمك الفيلم. الأشعة السينية الطيفي النانومترية (XPS) (الشكل 5)، ومجهر القوة الذرية (AFM) (الشكل 6) تم أخذ البيانات لتحديد تكوين القيمة الاسمية لكل من الأهداف والأفلام وإظهار نوعية السطحية للأغشية الرقيقة المودعة.

أطياف زرد من العينات المجمعة ايسو يبين أن التراكيب المركبة أملاح الصخور مرحلة واحدة مع المعلمات شعرية 4.25 Å و 4.25 Å 4.24 Å ل XCo = 0.20 و 0.27 0.33، على التوالي. هذه القيم في الاتفاق النسبي مع القانون ل Vegard، وتلك التي ذكرت في المراجع 7 و 16. وتحددت معالم شعرية استخدام الأسلوب كوهين22. الأفلام المودعة هي واحدة البلورية والفوقي للركيزة MgO (001 (المنحى كما لوحظت قمم السينما 002 و 004 فقط. هامش لاوي لاحظ عن قمم 002 و 004 هي نتيجة للجودة العالية التي البلورية والواجهات سلسة من الأفلام المودعة. فترة الذبذبات يتحدد سمك الفيلم، ويكشف عن سمك الأسو ~ 80 نانومتر، اتساقا مع لدينا سمك الاسمية.

XPS البيانات تظهر أن جميع الاتصالات المكونة في كلا ايسو معظم العينات والأغشية الرقيقة في تدور 2 + وعالية (حيثما ينطبق ذلك) الدولة. إظهار التراكيب محسوبة من هذه الأطياف أن جميع العينات يتم تكوين القيمة الاسمية، إلى داخل < الخطأ 1%. تم الحصول على التراكيب باحتواء البيانات XPS إلى دالة خلفية شيرلي نفذت في كاساكسبس. خرائط EDS الكيميائية أيضا نتفق مع تكوين القيمة الاسمية، وتبين أن الأفلام المودعة متجانسة كيميائيا بمقياس الطول من 10-100 Equation 17 م.

فؤاد ميكروجرافس تبين أن العينات شقة عبر 5 Equation 17 م x 5 Equation 17 م نطاق المسح مع قيم خشونة RMS 1.1، 1.2، و 1.4 ل XCo = 0.20، 0.27، والأفلام 0.33، على التوالي. زاوية منخفضة 2Equation 18-Equation 19 إكسرد البيانات تتفق مع هذه الأرقام خشونة16. خشونة الذروة إلى الذروة من الأفلام هو حوالي 3.3 Å في جميع الحالات، وهو أقل من ثوابت شعرية كل الأفلام ويمكن أن يعزى إلى ضوضاء الصك. تم تجهيز الصور فؤاد استخدام البرمجيات نوفا NT MDT.

Figure 1
الشكل 1 : مخطط تدفق يبين ترتيب العمليات لتوليف رقيقة أكسيد استقرت الانتروبيا (ايسو). أولاً، يتم توليفها الكريات السيراميك ايسو بكميات كبيرة. ثم، أبلاتيد مع ليزر عالية الطاقة العينات وتمتز فوق ركيزة إيداع واحد الأغشية الرقيقة البلورية. كريستالينيتي، ستويتشيوميتري والطوبوغرافيا وتجانس ثبت استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ومجهر القوة الذرية (AFM)، مطيافية الأشعة السينية النانومترية (XPS) والطاقة المشتتة من التحليل الطيفي بالأشعة السينية (EDS)، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: () قطع الغيار والتخطيطي (ب) يموت الملحة. الأجزاء هي ج: يموت، المكبس ب:، المكبس قصيرة c:، d: أعلى وأسفل لوحات، وهاء: إزالة مكبس وواو: إزالة غمد. (ج) صورة تظهر يموت جاهزة للضغط. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 : الخطط الليزر النبضي ترسب (PLD) مسار بصري وفراغ الغرفة. () رسم توضيحي لمسار بصري الملعوبة النظام و (ب) كوتاواي رأي الدائرة فراغ. الشعاع يركز على الهدف، حيث أنه يثير عمود بلازما ثم تمتز على الركازة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 : 2 Θ -Ω حيود الأشعة السينية (XRD) الأطياف من إعداده كعينات ايسو- () 2Equation 18-Equation 19 XRD الأطياف من ايسو أعدت معظم العينات. وتقابل قمم المسمى الهيكل المثالي الملح الصخري، وتبين وجود لا المراحل الثانوية. (ب) زرد أطياف ايسو رقيقة الأفلام التي نمت على ركائز MgO (001 (المنحى. الأطياف تكشف عن وجود قمم السينما 001، مما يدل على نقاء المرحلة وتنضيد. (داخلي) عالية الدقة 2Equation 18-Equation 19 زرد مسح حول الفيلم 002 وقمم الركازة، تبين بوضوح لاوي ذبذبات حول ذروة الفيلم، مما يدل على أفلام مسطحة وذات جودة بلوري. * يشير إلى انعكاس 002 من الركازة MgO. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الشكل 5 : التركيب وتجانس العينات ايسو رقيقة. () XPS Co البديل والبديل Cu أهداف ايسو والأغشية الرقيقة، تبين أن جميع العينات لتكوين القيمة الاسمية. (ب) الطاقة المشتتة الأشعة السينية الطيفي (EDS) التركيبية خرائط، تبين أن الأفلام تكون متجانسة كيميائيا. تغيير حجم أشرطة = 30 ميكرومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الرقم 6 : الاتصال صور فؤاد من المتغير Co المودعة (أعلى) والأفلام البديل Cu (أسفل)، تبين أن جميع الأفلام بخشونة الجذر-يعني-ساحة (RMS) خلية الوحدة الفرعية. النمط الدوري من أعلى اليسار إلى أسفل اليمين قطعة أثرية من القياس. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Table 1
الجدول 1: الجماهير من مكونات لشركة البديل ايسو.

Table 2
الجدول 2: الجماهير من مكونات للبديل Cu ايسو.

Table 3
الجدول 3: تحديد XPS التراكيب Co البديل ايسو أهدافا والأغشية الرقيقة.

Table 4
الجدول 4: تحديد XPS التراكيب Cu أهداف ايسو البديل والأغشية الرقيقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

أننا قد وصفت وسيظهر بروتوكول لتركيب الجملة وعالية الجودة، واحد أفلام بلوري (ملغ0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cu0.25(1-x)الزنك0.25(1-x)Cox) س (x = 0.20، 0.27، 0.33) و (ملغ0.25(1-x) Co0.25(1-x)ني0.25(1-x)Cuxالزنك0.25(1-x)) س (x = 0.11، 0.27) أكاسيد استقرت الانتروبيا. أننا نتوقع من هذه التقنيات التوليف أن تنطبق على مجموعة واسعة من التراكيب أكسيد استقرت الانتروبيا كما يتم اكتشاف المزيد في التنمية والتوسع في المجال. علاوة على ذلك، يوفر التوليف أكاسيد متنوعة شكل تركيبي استقرت الانتروبيا منبرا لدراسة دور كل من الاضطرابات الهيكلية والكيميائية على الخصائص الفنية.

بينما لدينا بروتوكول يؤدي إلى مرحلة واحدة وأكاسيد استقرت الانتروبيا عالية الجودة، توجد قيود على الأسلوب ويمكن تصور إجراء تعديلات على التوليف لفهم المواد المتقدمة وإمكانية تكرار نتائج أعلى من التوليف. أدناه، ونحن المخطط التفصيلي الخطوات الحاسمة في إطار البروتوكول والتعديلات المحتملة، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والقيود المفروضة على هذه التقنية، أهمية فيما يتعلق بالأساليب القائمة، وتصور التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية. خطوات حاسمة لهذه العملية هي تلبد، تبريد، ديهيدروكسيليشن على السطح MgO، وتحديد ورصد فلوينس الليزر. للعينات المجمعة لتكون مرحلة واحدة، من الضروري أنهم متكلس لمالا يقل عن 24 ساعة وسرعة تطفئ من درجة حرارة تلبد. إذا كانت الأهداف الأكبر ليست مرحلة واحدة، أو للكثافة المطلوبة، يمكن الخصواص وقمعها للوصول إلى كثافة أعلى. ديهيدروكسيليشن السطح MgO أيضا خطوة حاسمة، كمحاولات لتنمو على MgO (001 (المنحى دون هذه النتيجة في الأفلام غير متبلور. هناك قضية رئيسية أخرى ويتضمن القيد تقنية الانجراف طاقة الليزر مما يؤدي إلى انحراف من ظروف الترسيب المقصودة. ويناقش هذا أكثر في عمق أدناه.

التعديلات التي أدخلت على هذه التقنية زيادة إمكانية تكرار نتائج وتمكين استكشاف الأخطاء وإصلاحها في الوقت الحقيقي. على وجه الخصوص، في الموقع التحليل، مثل انعكاس الإلكترونات ذات الطاقة العالية الحيود23 (رهيد)، زاوية منخفضة مطيافية الأشعة السينية24، الأشعة السينية الانعكاسية25،26،حيود الأشعة السينية27، ثاني 28،جيل التوافقي29أو30من ellipsometry، يمكن أن تضاف إلى الإجراء ترسب رقيقة. وسيمكن هذا توصيف الهيكلية والتركيبية للرصد في الوقت الحقيقي لظروف النمو رقيقة. كما أن البروتوكول لا تنطوي على أي تشخيص في الموقع ، تفتقر إلى تقريرنا حركية السطحية يحتمل أن تكون حاسمة والتطور الهيكلي، التي قد تحدث أثناء التوليف،. علاوة على ذلك، لدينا بروتوكول يدعو المساحيق المكونة لتكون اليد المختلطة وعلى الأرض مع عقيق قذائف الهاون والمدقة. الآخرين في المجتمع، ومع ذلك، قد أبلغت عن استخدام شاكر7 والكرة15، باستخدام وسائل الإعلام يسز أو عقيق، مما قد يعطي نتائج أكثر اتساقا بالقضاء على الطلب الفعلي من ناحية طحن الطحن.

الأسلوب المذكورة تنتج أفلام نوعية ممتازة، ومع ذلك، هناك العديد من القيود الملازمة لهذه التقنية. الملعوبة يجعل من التحدي تنمو أفلام كبيرة تتجاوز 1 ميكرومتر سمك بسبب انجراف طاقة الليزر. يمكن أن يحدث انجراف طاقة الليزر بسبب تخميل و2 الغاز في أنبوب ليزر اكسيمر مع مرور الوقت والإثارة من الغاز. علاوة على ذلك، يمكن أن يحدث الليزر الطاقة الانجراف من ترسب المواد في إطار شفاف الليزر الأشعة فوق البنفسجية على الدائرة (الشكل 3b). لدينا بروتوكول تقارير الترسب ~ 80 نانومتر سميكة الأفلام باستخدام ضغط أكسجين 6.7 السلطة الفلسطينية؛ قبل وبعد هذا النمو، لم نلاحظ تغييرا في نقل النافذة الليزر الأشعة فوق البنفسجية، والتي قد ~ 10% التوهين الجوهرية31. قد يكون هذا نتيجة لضغط الأكسجين المرتفعة نسبيا المستخدمة أثناء الترسيب، والانخفاض النسبي في العدد من الطلقات، وهندسة الدائرة ترسب لدينا. ترسبات أفلام سمك ملحوظ أكبر، مع انخفاض ضغط الغاز رد الفعل، أو موضع الإطار ليزر مختلفة فيما يتعلق بالهدف قد تواجه صعوبات ناشئة عن الليزر الطاقة الانجراف. يمكن تقليل الانجراف الطاقة بسبب تخميل و2 الغاز في أنبوب الليزر عن طريق ملء بشكل روتيني مع الغاز جديدة ورصد الطاقة عنها متر الطاقة الداخلية الليزر أثناء الترسيب لتعويض انخفاض طاقة الليزر مع زيادة في الجهد الإثارة.

أكاسيد استقرت الانتروبيا تميل إلى أن تكون الكاتيونات خمسة أو أكثر حيث يعتمد درجة الحرارة الانتروبيا وجل الاستقرار جذريا عن التكوين. بينما حاليا قد أبلغ أي أسلوب الترسيب أخرى تنمو بنجاح أكسيد استقرت الانتروبيا رقيقة الأفلام والتبخر المقايسة ونقل من الهدف في16،الملعوبة32 قد توفر المادة الكيميائية أفضل التجانس. على سبيل المثال، هي مبي والأخرق البديلة المادية بخار ترسب التقنيات التي يمكن استخدامها لإيداع عالية الجودة أفلام رقيقة33،34، ومع ذلك، MBE ومتعددة الهدف المشترك اﻷخرق تتطلب معايرة دقيقة و تدفق مستقر من خمسة مصادر فردية. هذه المهمة مرهقة، ويوضح يتوقع صعوبة في إقامة تجانس المواد الكيميائية في جميع أنحاء ترسب الفيلم، على افتراض هذه التقنيات يمكن أن يثبت أن تودع المواد استقرت الانتروبيا. علاوة على ذلك، كما تتطلب المواد السائبة التي تسقيه من ارتفاع درجة الحرارة للحفاظ على مرحلة استقرار حراري، قد منع بكثافة كبيرة من دينامي حراري نقطة العيوب تحديد دقيق للمعلمة شعرية، والمقاومة، وعازل خصائص. من الناحية النظرية، ينبغي توفير الملعوبة القدرة على التحكم في كثافة هذه العيوب35 وتمكين تحديد دقيق للخصائص الوظيفية والهيكلية. وهكذا، المنهجية المقدمة هنا هامة بالنسبة للتحري عن رواية والخصائص الفنية العملاقة لهذه المواد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدينا شيء الكشف عنها.

Acknowledgments

تم تمويل هذا العمل جزئيا بمنحه من "مؤسسة العلوم الوطنية" لا هيئة الهجرة واللاجئين-0420785 (XPS). نشكر مركز جامعة ميشيغان في ولاية ميشيغان "توصيف المواد"، (MC)2، لمساعدته مع XPS، ومختبر جامعة ميشيغان Van Vlack على زرد. كما نود أن نشكر توماس كراتوفيل لمساعدته بإعداد المواد السائبة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MAGNESIUM OXIDE 99.95% Fisher AA1468422
COBALT(II) OXIDE, 99.995% Fisher AA4435414
NICKEL(II) OXIDE 99.998% Fisher AA1081914
COPPER(II) OXIDE 99.995% Fisher AA1070014
ZINC OXIDE 99.99% Fisher AA8781230
TRICHLROETHLENE SEMICNDTR 9 Fisher AA39744K7
ACETONE SEMICNDTR GRD 99.5% Fisher AA19392K7
2-PROPANOL ACS 99.5% Fisher A416S4
Mineral oil, pure Acros Organics AC415080010
alumina crucible MTI Corporation eq-ca-l50w40h20
ZIRCONIA (YSZ) GRINDING MEDIA Inframat Advanced Materials 4039GM-S010
SiC paper 320/600/800/1200 South Bay Technology SDA08032-25
MgO (100) substrate, 5x5x0.5 mm, 1SP MTI Corporation MGa050505S1
OXYGEN COMPRESSED ULTRA HIGH PURITY GRADE, 99.999% Cryogenic Gases OXYUHP
NITROGEN COMPRESSED EXTRA DRY GRADE Cryogenic Gases NITEX

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tsai, M. H., Yeh, J. W. High-Entropy Alloys: A Critical Review. Mater Res Lett. 2 (3), 107-123 (2014).
  2. Yeh, J. W., et al. Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements: Novel alloy design concepts and outcomes. Adv Eng Mater. 6 (5), 299-303 (2004).
  3. Gao, M. C., Carney, C. S., Dogan, N., Jablonksi, P. D., Hawk, J. A., Alman, D. E. Design of Refractory High-Entropy Alloys. Jom. 67 (11), 2653-2669 (2015).
  4. Gludovatz, B., Hohenwarter, A., Catoor, D., Chang, E. H., George, E. P., Ritchie, R. O. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science. 345 (6201), 1153-1158 (2014).
  5. Zou, Y., Ma, H., Spolenak, R. Ultrastrong ductile and stable high-entropy alloys at small scales. Nat Commun. 6, 7748 (2015).
  6. Poulia, A., Georgatis, E., Lekatou, A., Karantzalis, A. E. Microstructure and wear behavior of a refractory high entropy alloy. Int J Refract Met Hard Mater. 57, 50-63 (2016).
  7. Rost, C. M., et al. Entropy-stabilized oxides. Nat Commun. 6, 8485 (2015).
  8. Jiang, S., et al. A new class of high-entropy perovskite oxides. Scripta Mater. 142, 116-120 (2018).
  9. Gild, J., et al. High-Entropy Metal Diborides: A New Class of High-Entropy Materials and a New Type of Ultrahigh Temperature Ceramics. Sci Rep. 6 (October), 37946 (2016).
  10. Schlom, D. G. others Strain Tuning of Ferroelectric Thin Films. Annu Rev Mater Res. 37, 589-626 (2007).
  11. Zhao, T., et al. Electrical control of antiferromagnetic domains in multiferroic BiFeO3 films at room temperature. Nat Mater. 5 (10), 823-829 (2006).
  12. Borisov, P., Hochstrat, A., Chen, X., Kleemann, W., Binek, C. Magnetoelectric Switching of Exchange Bias. Phys Rev Lett. 94 (11), 117203 (2005).
  13. Weidenkaff, A., Robert, R., Aguirre, M., Bocher, L., Lippert, T., Canulescu, S. Development of thermoelectric oxides for renewable energy conversion technologies. Renew Energy. 33 (2), 342-347 (2008).
  14. Pickett, W. E. Electronic structure of the high-temperature oxide superconductors. Rev Mod Phys. 61 (2), 433-512 (1989).
  15. Berardan, D., Franger, S., Dragoe, D., Meena, A. K., Dragoe, N. Colossal dielectric constant in high entropy oxides. Phys Status Solidi - Rapid Res Lett. 10 (4), 328-333 (2016).
  16. Meisenheimer, P. B., Kratofil, T. J., Heron, J. T. Giant Enhancement of Exchange Coupling in Entropy-Stabilized Oxide Heterostructures. Sci Rep. 7 (1), 13344 (2017).
  17. Miracle, D. B. High-Entropy Alloys: A Current Evaluation of Founding Ideas and Core Effects and Exploring "Nonlinear Alloys.". Jom. , 1-7 (2017).
  18. Mannhart, J., Schlom, D. G. Oxide Interfaces-An Opportunity for Electronics. Science. 327 (5973), 1607-1611 (2010).
  19. Mundy, J. A., et al. Atomically engineered ferroic layers yield a room-temperature magnetoelectric multiferroic. Nature. 537 (7621), 523-527 (2016).
  20. Martin, L. W., Chu, Y. H., Ramesh, R. Advances in the growth and characterization of magnetic, ferroelectric, and multiferroic oxide thin films. Mater Sci Eng R Rep. 68 (4), 89-133 (2010).
  21. Saremi, S., et al. Enhanced Electrical Resistivity and Properties via Ion Bombardment of Ferroelectric Thin Films. Adv Mater. 28 (48), 10750-10756 (2016).
  22. Cullity, B. D., Weymouth, J. W. Elements of X-ray Diffraction. Am J Phys. 25 (6), 394-395 (1957).
  23. Rijnders, G. J. H. M., Koster, G., Blank, D. H. A., Rogalla, H. In situ monitoring during pulsed laser deposition of complex oxides using reflection high energy electron diffraction under high oxygen pressure. Appl Phys Lett. 70 (14), 1888-1890 (1997).
  24. Low-Angle X-ray Spectroscopy (LAXS) - In-situ Real Time Composition Analysis. , Neocera. http://neocera.com/products/low-angle-x-ray-spectroscopy/ (2018).
  25. Sullivan, M. C., et al. Complex oxide growth using simultaneous in situ reflection high-energy electron diffraction and x-ray reflectivity: When is one layer complete? Appl Phys Lett. 106 (3), 031604 (2015).
  26. Eres, G., et al. Time-resolved study of SrTiO3 homoepitaxial pulsed-laser deposition using surface x-ray diffraction. Appl Phys Lett. 80 (18), 3379-3381 (2002).
  27. Fleet, A., Dale, D., Suzuki, Y., Brock, J. D. Observed Effects of a Changing Step-Edge Density on Thin-Film Growth Dynamics. Phys Rev Lett. 94 (3), 036102 (2005).
  28. Luca, G. D., Strkalj, N., Manz, S., Bouillet, C., Fiebig, M., Trassin, M. Nanoscale design of polarization in ultrathin ferroelectric heterostructures. Nat Commun. 8 (1), 1419 (2017).
  29. De Luca, G., Rossell, M. D., Schaab, J., Viart, N., Fiebig, M., Trassin, M. Domain Wall Architecture in Tetragonal Ferroelectric Thin Films. Adv Mater. 29 (7), (2017).
  30. Gruenewald, J. H., Nichols, J., Seo, S. S. A. Pulsed laser deposition with simultaneous in situ real-time monitoring of optical spectroscopic ellipsometry and reflection high-energy electron diffraction. Rev Sci Instrum. 84 (4), 043902 (2013).
  31. MDC Vacuum Products | Vacuum Components, Chambers, Valves, Flanges & Fittings. , https://mdcvacuum.com/DisplayContentPageFull.aspx?cc=b8ca254a-cdc0-4b71-8603-af10ce18bbcb (2018).
  32. Dijkkamp, D., et al. Preparation of Y-Ba-Cu oxide superconductor thin films using pulsed laser evaporation from high Tc bulk material. Appl Phys Lett. 51 (8), 619-621 (1987).
  33. Biegalski, M. D., et al. Relaxor ferroelectricity in strained epitaxial SrTiO3 thin films on DyScO3 substrates. Appl Phys Lett. 88 (19), 192907 (2006).
  34. Schlom, D. G., Chen, L. Q., Pan, X., Schmehl, A., Zurbuchen, M. A. A Thin Film Approach to Engineering Functionality into Oxides. J Am Ceram Soc. 91 (8), 2429-2454 (2008).
  35. Damodaran, A. R., Breckenfeld, E., Chen, Z., Lee, S., Martin, L. W. Enhancement of Ferroelectric Curie Temperature in BaTiO3 Films via Strain-Induced Defect Dipole Alignment. Adv Mater. 26 (36), 6341-6347 (2014).

Tags

الهندسة، 135 قضية، والتوليف، أكاسيد استقرت الانتروبيا، نابض ترسب الليزر، الجزء الأكبر من السيراميك، والأغشية الرقيقة، وتنضيد
السائبة وتوليف رقيقة أكاسيد استقرت الانتروبيا شكل تركيبي البديل
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sivakumar, S., Zwier, E.,… More

Sivakumar, S., Zwier, E., Meisenheimer, P. B., Heron, J. T. Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides. J. Vis. Exp. (135), e57746, doi:10.3791/57746 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter