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Engineering

대량 및 Compositionally 변형 엔트로피 안정 산화물의 박막 합성

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

고품질 대량 및 박막 (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))의 합성 오와 (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x )) O 엔트로피 안정 산화물 제공 됩니다.

Abstract

우리 대량 및 박막 multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))의 합성에 대 한 절차를 제시 하는 여기, O (Co 변형) 및 (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni 0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (Cu 변종) 엔트로피 안정 산화. 단계 순수 하 고 화학적으로 균질 (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0.20, 0.27, 0.33) 및 (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0.27) 세라믹 펠 릿 합성 되 고 순수 하 고, 단일 결정 질 박막 대상 산출할의 단계, 매우 높은 품질의 증 착에 사용. 펄스 레이저 증 착 (001) 지향 MgO 기판에 의해 부드러운, 화학적으로 균질, 엔트로피가 안정 된 산화물 박막의 증 착에 대 한 자세한 방법을 설명 합니다. 위상 및 벌크 및 박막 재료의 결정 x 선 회절을 사용 하 여 확인 됩니다. 구성과 화학 동질성 엑스레이 광전자 분광학 및 에너지 흩어진 엑스레이 분광학에 의해 확인 됩니다. 박막의 표면 지형 스캐닝 프로브 현미경으로 측정 됩니다. 고품질의 합성, 단일 결정, 엔트로피가 안정 된 산화물 박막 인터페이스, 크기, 변형, 및 높은 무질서 산화물의이 새로운 클래스의 속성에 장애 효과의 연구를 수 있습니다.

Introduction

2004 년에 높은 엔트로피 금속 합금의 발견부터 높은 엔트로피 재료 속성 같은 증가 경도1,2,3, 인 성4, 으로 상당한 관심을 받고 있다 5, 그리고 부식 저항3,6. 최근, 높은 엔트로피 산화물7,8 , 붕9 발견 되었습니다, 소재 매니아 들을 위한 대형 놀이터 개방. 특히, ferroelectricity10, magnetoelectricity11,12, 열전기13, 초전도14 하 여 유용 하 고 동적 기능 특성을 보여줄 수 산화물, . 엔트로피가 안정 된 산화물 (ESOs) 최근 흥미로운, compositionally 종속 기능 속성15,16, 재료의이 새로운 클래스를 만드는 중요 한 장애에도 불구 하 고 소유 표시 되었습니다. 특히 흥미로운.

엔트로피가 안정 된 물질이 화학적으로 균질, multicomponent (일반적으로 5 개 이상의 성분 데), 단상 자료 어디 configurational 엔트로피 기여 (Equation 1) 깁스 자유 에너지 (Equation 2) 중요 한 단일의 대형 드라이브 정도로 체17단계. 어디 양이온 configurational 장애 관찰 양이온 사이트 전반에 걸쳐 정밀 하 게 제어 구성, 온도, 증 착 속도 요구 한다, multicomponent ESOs의 합성 속도, 냉각 및 담금질 온도7,16 . 이 메서드는 실천 단계 순수 합성 수 고 화학적 균질 엔트로피 안정 산화물 세라믹 펠 릿 및 단계 순수 하 고, 단일 결정, 박막의 원하는 산출할 수 있도록 하고자 합니다. 벌크 재료와 전자, 자기, 구조 속성의 연구를 활성화 하는 90% 이론 밀도 보다 큰 합성 수 또는 박막 물리적 증기 증 착 (PVD) 기술에 대 한 원본으로 사용 하 여. 여기 간주 엔트로피 안정 산화물 5 양이온, 분자 빔 피 (MBE) 등 공동 스퍼터 링, 5 소스를 사용 하는 박막 PVD 기법으로 수 여 됩니다 인해 화학적으로 균질 성 박막을 예금 하는 도전 과제 드리프트 플럭스를 이 프로토콜 결과 화학적으로 균질, 단일 결정, 평면 (~0.15 nm의 루트-의미-스퀘어 (RMS) 거칠기) 엔트로피 안정 산화물 박막 단일 소재 소스에서 공칭 화학 성분 소유 표시 됩니다. 이 박막 합성 프로토콜 제자리에 전자 또는 합성의 실시간 모니터링 및 세련 된 품질 관리에 대 한 광 특성 기술을 포함 하 여 향상 될 수 있습니다. 이 메서드의 예상된 한계 두께 1 μ m 미만이 되도록 고품질 영화를 제한할 수 있습니다 레이저 에너지 드리프트에서 줄기.

성장 및 박막 산화물 재료10,18,19,20,21, 입체 화학 사이의 상관 관계의 특성에 중요 한 진보에도 불구 하 고 산화물에 전자 구조 최종 자료 겉보기에 사소한 방법론 차이에서 형태소 분석에 큰 차이가 발생할 수 있습니다. 또한, multicomponent 엔트로피 안정 산화물의 분야는 오히려 초기 문학7,16박막 합성의 두 현재 보고서 이다. ESOs 화학 증기 증 착 및 분자 빔 피에 의해 제시 될 과제를 우회 하는이 과정에 특히 잘 빌려준다. 여기, 우리는 대량의 상세한 종합 프로토콜 제공 및 영화 ESOs (그림 1), 자료 처리 어려움, 의도 하지 않은 속성 변화를 최소화 하기 위해 얇고 발견 분야에서의 가속을 향상.

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Protocol

주의: 필요한 개인 보호 장비 (PPE) 가까이 터진 신발, 전체 길이 바지, 안전 안경, 미 립 자 여과 마스크, 실험실 코트, 장갑 등 산화물 분말 포즈 피부 접촉 자극과 눈 접촉 자극에 대 한 위험으로 착용. 추가 PPE 요구 사항에 대 한 시작 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트를 참조 하십시오. 종합 연기 후드 등 공학적 통제의 사용으로 행해져야 한다.

1. 대량 엔트로피 안정 산화물의 합성

  1. 구성 산화물 분말의 대량 계산
    1. 원하는 볼륨 구성 이진 산화물의 평균 밀도 곱하여 대상의 총 원하는 질량을 견적 한다.
      Equation 3
      Equation 4
      어디 Equation 5 및 Equation 6 몰 분수와의 밀도 Equation 7 th 구성 요소. 1"에 대 한 (2.54 cm) 직경, ⅛" (0.3175 cm) 두꺼운 샘플, 대상 볼륨은 Equation 8 1.7 cm3.
    2. 구성 이진 산화물의 평균 분자량에 의해이 대상 질량을 분할 하 여 각 구성 요소 필요한 두더지를 결정 합니다.
      Equation 9
      Equation 10
      어디 Equation 11 의 어 금 니 질량은 Equation 7 th 구성 요소. 두더지의 수를 변환 Equation 12 에 의해 그램을 다시
      Equation 13
      참고: 성분과 여기 합성 재료의 대상된 작곡의 표 1 과 2에 부여 됩니다.
  2. 산화물 분말의 전처리
    1. 아쿠아 레 지아 (HNO3 + 3 HCl)의 20 mL으로 에칭 하 여 옥수 유 봉과 박격포를 청소. 박격포에 산을 부 어 하 고 갈기는 유 봉과 하단의 취소 될 때까지. 제대로 산의 처분 하십시오와 물으로 린스.
    2. MgO의 0.559 g, CoO의 1.103 g, NiO의 1.035 g, CuO의 1.103 g와 깨끗 한 박격포 (아데닌 구성)에 대 한 ZnO 분말의 1.129 g 결합.
    3. 20 턴, 시계 방향으로 움직임을 사용 하 여 파우더를 갈아 깨끗 한 방 앗 공이 사용 하 여 다음 20 시계 반대 방향으로 회전 합니다. 박격포의 측면에서 분말을 제거 하 고 박격포의 중심까지 파우더를 브러시를 깨끗 한 금속 주걱 적어도 45 분 사용에 대해이 과정을 반복 합니다.
      참고: 분말 혼합 및 분쇄는 완전 한 분말이 균일 하 고 그레이-블랙 컬러로, 나타납니다 잘게 지상, 그리고 부드러운 느낌.
    4. 전송에 대 한 접착성, 깨끗 한 용기에 가루를 전송 합니다.
  3. 세라믹 펠 릿 눌러
    주의: 다이 조립 하 고 언론이 사용 장갑, 안전 안경 착용. 깨끗 한 종이 표면에 전체 다 청소 및 어셈블리 단계를 수행 합니다. 사용 하는 구성 요소는 그림 2에 표시 됩니다.
    1. 측면과 미네랄 오일 다이의 작은 하단 플런저 (이라는 C 그림 2a 와 2b)의 실내 얼굴을 기름을 바르 십시오을 때까지 바닥에 플러시 다 실린더에 삽입 합니다.
    2. 다이의 측면 커버를 다이의 구멍에 무게 종이 롤. 다이의 하단에 가루를 부 어. 다이에서을에 작은 플런저를 허용 하지 않고 부드럽게 모든 공기 주머니를 제거 하 고 가루를 레벨을 카운터에 부분을 누릅니다. 조심 스럽게 무게 종이 제거.
    3. 슬러리를 형성 하는 다가의 구멍에 가루를 아세톤의 작은 금액을 추가 합니다. 대상과 압력은 공 극의 형성을 억제 하는 동안 곡물 흐름을 수 있습니다.
    4. 파라핀 기름, 분말을 방해 하지 않도록 주의 되 고 측면 및 플런저 ( 그림 2a 및 2b에 부품 B)의 내부 얼굴에 기름칠. 다이에이 부분을 삽입 합니다. 그림 2 c, 위쪽 및 아래쪽 접시를 포함 하 여 사진 조립된 다 눌러 기계에 놓습니다 ( 그림 2a 에서 부품 D 및 2b)도 표면을 제공 하.
    5. 차가운 매치 언론에 다를 놓습니다. 펌프 프레스 팔 200 MPa에 도달할 때까지. 20 분에 대 한 압축 된 상태에서 앉아 언론을 수 있습니다. 압력으로 분말 densifies 시간 긴장 됩니다. 누르는 동안 200 MPa을 유지 하는 데 필요한 압력을 추가 합니다. 다이 밖으로 누출 어떤 초과 용 매를 멀리 닦으십시오.
    6. 프레스 압력을 릴리스 합니다. 조심 스럽게 상단 및 하단 플레이트 제거. 그림 2 c와 같이 칼 집 제거, 제거 피스톤을 배치 합니다. 천천히, 누르면된 대상 노출 하기 전에 어셈블리에서 제거 하는 작은 다이 조각을 누르십시오. 목표는 다에서 노출 될 때까지 어셈블리를 신중 하 게 누릅니다. 조심 스럽게 제거 녹색 신체와 소 결에 대 한 도가니에 전송.
  4. 세라믹 소 결
    주의: 대상 재료는 높은 온도에서 침묵 것입니다. 뜨거운 용광로에서 도가니를 제거할 때 내 열 장갑과 얼굴 방패를 착용.
    1. 누르면된 파우더를 맞는 것입니다 알 루미나 도가니를 2 m m 층의 Yttria-Stabilized 지 르 코니 아 (YSZ) 0.1-0.2 m m 비즈. 코트 YSZ 구슬 도가니의 하단.
      참고: 코팅 대상 도가니의 바닥 닿지 않는 두께에서 약 2 m m 이어야 한다.
    2. 천천히, 그리고 신중 하 게 도가니의 중앙을 누르면된 대상 전송.
    3. 금속 집게를 사용 하 여 신중 하 게 소 용광로에 도가니를 전송 합니다. 50 ° C min-1에서 1100 ° C의 온도 증가. 공기 분위기에서 1100 ° C에서 24 h에 대 한 대상 sinter
    4. 1100 ° C에로에서 도가니를 제거 합니다. 집게를 사용 하 여 신속 하 게 실내 온도 물에 대상을 끄다. 대상 ~ 30 스퍼터 것 이다 s, 다음 물에서 그것을 제거 하 고 건조로 설정.
    5. 일단 목표는 시 원하고 건조, 대상 밀도 측정 하 고 이론 값을 비교 Equation 14 , 파트 1에서 계산. 이전에 사용 하는 균형에는 대상의 질량을 측정 하 고 캘리퍼스를 사용 하 여 치수를 측정 한다. 예상된 값으로 측정 된 밀도의 비율 Equation 15 , % 이론 밀도 준다.
      참고: 합성, 후 밀도 보통 ~ 80% 이론 밀도의.
    6. 높은 밀도, 유 봉과 박격포를 사용 하 여 소 결된 대상 regrind 고 1.2.3 단계에서 대량 합성 절차를 반복 합니다. 두 번째 소 결 후에 대상의 밀도 확인 합니다.
      참고: 일반적으로 측정 된 밀도 Equation 16 이론 밀도, 펄스 레이저 증 착 (PLD)에 적합.

2입니다. ESO 단 결정 필름의 PLD

  1. 대상 준비
    1. 1 단계에서 합성 하는 펠 릿을 대량을 세라믹 지금 증 착 소스 (대상)으로 될 것입니다. 때까지 표면 반사 하 고 균일 한 SiC 종이의 진보적인 (320/600/800/1200) 밀가루를 사용 하 여 원형 모션에 별로 폴란드어.
    2. 챔버 내부에 회전 하는 회전 목마에 목표를 놓고 빔 경로에 최종 대상에 굽기 종이 ~ 2 cm x 2 cm 조각 장소.
    3. 대상에서 단일 쏘 양 축에 걸쳐 결과 화상 마크를 측정 하 여 레이저 자리 크기를 측정 합니다. 점 크기 올바르지 않으면, 조정 초점 렌즈 (그림 3a). 타원, 0.27 c m x 0.24 c m 두 축에 걸쳐 달성 될 때까지 측정된 점 크기를 조정 합니다.
    4. 굽기 종이 제거 하 고 피난에 대 한 문을 닫습니다. 건식 스크롤 펌프 6.7의 압력에 적응을 사용 하 여 챔버를 철수 펜 실바 니 아, 어느 시점에서 터보 펌프 최대 1000 Hz의 속도 회전 수 있습니다.
    5. -5 Pa는 이온 게이지에 의해 측정 된 최소 1.3 x 10의 기본 압력 챔버 밖으로 펌프. 일단, 성장 하는 동안 공정 가스의 사용을 허용 하도록 200 Hz의 속도에 터보를 줄일 수 있습니다.
  2. 기판 준비
    1. 단일 결정, 한쪽 광택, 쥡니다 반도체 학년 사람은 (TCE), 반도체 급료 아세톤, 그리고 고 순도 소 프로 파 놀 (IPA)에서 각 2 분에 의해 0.5 m m 두꺼운 MgO 기판 청소.
    2. 매우 건조 하 고, 압축 된 N2 가스와 기판 버릴 고 열 전도성 실버 페인트의 소량으로 기판 압반 (그림 3b)을 기판 연결 합니다. 열 기판 및 ° C 10 분 핫 플레이트 실버 페인트를 치료에 대 한 압반.
    3. 외부 전송 도구, 장소 챔버에 전송 팔에 기판 홀더 잠금, 로드 물개 그리고-4 실바 적어도 1.3 x 10의 압력 챔버 밖으로 펌프를 사용 하 여
    4. 2 사이 게이트 밸브를 열고 전송 팔을 사용 하 여 기판 압반 히터 어셈블리에 배치 하 여 기판 성장 챔버로 전송.
    5. 로드 잠금에 다시 전송 팔을 철회 하 고 게이트를 봉인. 낮은 챔버 위에 나사 조립품을 사용 하 여 히터.
  3. 레이저 에너지와 Fluence
    참고: 증 착 248 nm KrF 펄스 excimer 레이저에서 방사선으로 사용 됩니다. 레이저 펄스 폭은 20 ~ ns.
    1. 측정 에너지 미터를 사용 하 여 레이저 에너지 챔버 (그림 3a)에 들어가기 전에 그냥 빔 경로에 배치. 2 Hz의 속도로 50 펄스와 포토 다이오드를 해 후 평균 에너지를 결정 합니다.
    2. 다는 레이저의 여기 전압 ± 10 mJ 안정성과 310 엠 제이의 평균 펄스 에너지를 도달할 때까지. 에너지 미터 레이저 챔버에 전달할 수 있도록 빔 경로에서 제거 합니다.
      참고: 10%의 챔버 창의 레이저 감쇠를 사용 하 여 위의 구성 2.55 J c m-2의 fluence를 제공 합니다. 이 작품에서 기판-타겟 거리는 7cm 이다. 다른 기판-대상 차이 이상적인 증 착 조건 및 성장 율을 변경할 수 있습니다.
  4. 증 착
    1. 성장 하기 전에 dehydroxylize MgO의 표면에 진공에 속도 30 ° C 분-1 시 30 분 1000 ° C에 기판이 열. 30 ° 분-1 에서 300 ° C에 온도 줄이기 위해과 10 분 동안 equilibrate 수 있습니다.
      참고: 우리의 보고 온도 히터 블록 내에서 열전대에 의해 결정 됩니다.
    2. 흐름 초고 순도 (99.999%) O2 가스 6.7의 압력에 도달 챔버로 실바
      참고: 때 산소 챔버로 비행, 압력은 barotron 계기를 사용 하 여 측정. 가스 질량 유량 컨트롤러를 사용 하 여 성장 하는 동안 약 실 압력을 안정 시키는 폐쇄 루프 시스템의 일환으로 도입 되었습니다.
    3. 어떤 잔여 오염 물질의 목표를 청소 하 고 사전 제거 하 여 성장을 위해 그들을 준비. 래스터 선택 된 대상을 설정 회전, 레이저는 반격 하지 않을 같은 자리 때마다, 기판 셔터 폐쇄 되 고 ablate 5 Hz의 속도로 2000 펄스에 대 한 대상.
      참고: 대상 현재 준비 되 고 시스템은 증 착에 대 한 올바른 조건 (온도, 압력, fluence)에.
    4. 증 착 하기 전에 셔터를 엽니다. 이러한 조건에서 6 Hz에서 10, 000 펄스는 ~ 80 nm 박막을 생성 합니다.
      참고:이 성장 율은 이전 작업16x 선 반사에 의해 결정 되었다.
    5. 증 착, 후 증가 133에 산소 부분 압력 Pa (1.0 torr) 산소 공석의 형성을 억제 하기 위해. 1 분 10 °에서 40 ° C에 샘플 온도를 감소 시키십시오. 40 ° C에 도달 하면 산소의 흐름 닫고, 압력의 안정화, 후 성장 챔버와 부하 잠금 사이 게이트 밸브를 엽니다. 히이 터를 전송 팔을 사용 하 여 다시 로드 잠금에 어셈블리에서 기판 압반을 제거.
    6. 로드 잠금 분위기를 환기 하 고 외부 전송 도구를 사용 하 여 샘플을 제거 합니다. 나머지 실버 페인트를 벗고 면도날 및 폴란드어 플 래 튼을 사용 하 여 및 입금 자료 압반에서 샘플을 제거 합니다. 2.2 추가 영화 성장 단계에서 시작 하는 절차를 반복 합니다.

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Representative Results

모두는 준비 (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))의 x 선 회절 (XRD) 스펙트럼 찍은 O (x = 0.20, 0.27, 0.33) 및 (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x )CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0.27) 도자기 (그림 4a) 벌크 및 박막 (그림 4b) 입금. 이러한 데이터는 샘플은 단일 위상 격자 상수, 결정 질 및 필름 두께의 결정에 사용할 수 있습니다 보여줍니다. 엑스레이 광전자 분광학 (XPS) (그림 5)와 원자 힘 현미경 (AFM) (그림 6) 목표와 영화의 공칭 구성을 확인 하 고 예금 된 박막의 표면 품질을 표시 하려면 데이터 촬영 했다.

XRD 스펙트럼 대량 ESO 샘플에서 보여줍니다 합성된 작곡 단상 바위 소금 4.25 Å, 4.25 Å, 그리고Co X 대 한 4.24 Å의 격자 매개 변수는 = 0.20, 0.27, 0.33, 각각. 이 값은 상대 동의 Vegard의 법률 고 그 7과 16 참조에서 보고. 격자 매개 변수는 코헨의 방법22를 사용 하 여 결정 했다. 예금 된 영화는 단 하나 결정 하 고 (001) 지향 MgO 기판에 코피 002와 004 영화 봉우리만 관찰. 002와 004 봉우리에 대 한 관찰 라우에 변두리 결정 고품질의 결과 이며 입금된 영화의 부드러운 인터페이스입니다. 진동의 기간 영화의 두께 의해 결정 되 고 ~ 80의 소재 두께 밝혀 nm, 우리의 공칭 두께와 일치.

XPS 데이터 표시는 모두 ESO에서 모든 구성 양이온 대량 샘플 박막 2 +와 높은 스핀에 (해당 되는 경우) 상태. 작곡이이 스펙트럼에서 계산 표시는 모든 샘플은 명목상 구성의 내 < 1% 오류. 작곡은 XPS 데이터 CasaXPS에 구현 된 셜리 배경 함수를 피팅 하 여 얻은 했다. EDS 화학 지도 또한 명목상 구성 동의 예금 된 영화는 10-100의 길이 규모에 화학적으로 균질 표시 Equation 17 m.

AFM 현미경 보기 샘플 5에서 플랫 Equation 17 m x 5 Equation 17 RMS 거칠기 값은 1.1 m 스캔 범위 Å, 1.2 Å, 그리고 1.4 Å XCo = 0.20, 0.27와 0.33 영화, 각각. 낮은 각도 2Equation 18-Equation 19 이 거칠기 숫자16동의 XRD 데이터. 영화의 피크-피크 거칠기는 영화의 각 격자 상수 보다 작은 악기의 소음에 표시 될 수 있습니다 모든 경우에 약 3.3 Å 이다. AFM 이미지 NT MDT 노바 소프트웨어를 사용 하 여 처리 되었습니다.

Figure 1
그림 1 : 엔트로피 안정 산화물 (ESO) 박막 합성에 대 한 작업의 순서를 보여주는 순서도. 첫째, ESO 세라믹 펠 릿 대량에서 합성 됩니다. 샘플은 고 출력 레이저와 녹지 그리고 단일 결정 박막을 예금 하는 기판에 흡착 합니다. 화도, 지형, 산출할 및 동질성 각각 x-선 회절 (XRD), 원자 힘 현미경 (AFM), 엑스레이 광전자 분광학 (XPS) 및 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDS)를 사용 하 여 입증 된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: (a) 부분과 눌러 다이의 (b) 회로도. 부품은 a: 다이, b: 플런저, c: 짧은 플런저, d: 상단 및 하단 플레이트, e: 제거 피스톤, 및 f: 제거 칼 집입니다. (c) 눌러에 대 한 준비는 다이 보여주는 그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3 : 펄스 레이저 증 착 (PLD) 광학 경로 진공 챔버의 설계도. (a)는 PLD의 광학 경로 그림 시스템 및 (b) 장면 전환 보기 진공 챔버의 빔은 그것 다음 기판에 adsorbs 플라즈마 깃털을 자극 하는 대상에 집중 된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4 : 2 Θ -Ω x 선 회절 (XRD) 스펙트럼 ESO 샘플으로 준비에서. (한) 2Equation 18-Equation 19 XRD 스펙트럼으로 준비 ESO에서 대량 샘플. 레이블이 지정 된 봉우리 없는 보조 단계의 존재를 보여주는 이상적인 암 염 구조에 해당 합니다. (b) XRD 스펙트럼 ESO의 얇은 필름 (001) 지향 MgO 기판에 성장. 스펙트럼 단계 순도 피 보여주는 영화 001 봉우리의 존재를 공개 했다. (삽입) 고해상도 2Equation 18-Equation 19 XRD 002 영화 주위를 살펴보고 기판 봉우리, 명확 하 게 보여주는 라우에 진동에 대 한 영화를 보여주는 영화 피크는 평평 하 고 우수한 결정 품질의. * MgO 기판에서 002 반사를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5 : 구성 및 박막 소재 샘플의. (한)의 공동 변형 및 Cu 변형 XPS ESO 목표를 공칭 구성의 모든 예제는 보여주는 박막 있습니다. (b) 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDS) 작곡 지도, 영화는 화학적으로 균질을 보여주는. 스케일 바 = 30 µ m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6 : 연락처 입금된 공동 variant (맨 위)의 AFM 이미지와 Cu 변형 (아래) 영화, 모든 영화는 하위 단위 셀 루트-의미-스퀘어 (RMS) 거칠기 표시. 오른쪽 아래로 왼쪽 상단에서 주기적인 패턴 측정에의 한 유물 이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Table 1
표 1: 대 중 공동 변종 ESO에에서 성분의.

Table 2
표 2: Cu 변종 ESO에에서 성분의 대 중.

Table 3
표 3: XPS 공동 변형 ESO 목표 및 박막의 결정.

Table 4
표 4: XPS Cu 변형 ESO 목표 및 박막의 결정.

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Discussion

우리는 설명 하 고 결정 영화 (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))의 단일 대량 및 높은 품질의 합성에 대 한 프로토콜을 표시 O (x = 0.20, 0.27, 0.33) 및 (Mg0.25(1-x) 공동0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0.27) 엔트로피 안정 산화물. 우리는 이러한 합성 기술을 더 개발 및 확장 필드의 발견으로 엔트로피가 안정 된 산화물의 넓은 범위에 적용할 수 있도록 기대 합니다. 또한, compositionally 다양 한 엔트로피가 안정 된 산화물의 합성 구조 및 화학 기능 속성에 장애의 역할을 공부 하기 위한 플랫폼을 제공 합니다.

우리의 프로토콜 단일 단계와 높은-품질 엔트로피 안정 산화물, 리드 하는 동안 제한 하는 기술을 존재 하 고 합성에 대 한 수정 자료의 고급 이해 및 종합의 높은 재현성에 대 한 구상 수 있습니다. 아래, 우리는 프로토콜, 가능한 수정, 문제 해결 및 기술, 기존의 방법에 관하여 의미의 한계 내에서 중요 한 단계를 약술 하 고이 기법에 대 한 미래의 응용 프로그램을 구상. 이 과정에 중요 한 단계는 소 결, 냉각, MgO 표면, 그리고 결정의 dihydroxylation 및 레이저 fluence의 모니터링. 단일 위상 수를 대량 샘플에 대 한 그들이 적어도 24 h에 대 한 상 고 소 결 온도에서 급속 하 게 침묵에 필수적 이다. 대량 대상 단일 위상, 없는 경우 또는 원하는 밀도의 그들은 수 reground 되며 더 높은 밀도 도달 억압. MgO 표면 dihydroxylation 또한 비정 질 영화에서이 결과 없이 MgO (001)-중심에 성장 하는 시도로 중요 한 단계입니다. 또 다른 주요 문제는 기술의 제한 포함 원하는 증 착 조건에서 편차를 선도 하는 레이저 에너지의 표류. 이것은 더 깊이 아래에 설명 하 고 있습니다.

기술에 대 한 수정 재현성을 증가 하 고 실시간 문제 해결 가능. 특히, 현장에서 분석, 반영 고 에너지 전자 회절23 (RHEED),24, 로우 앵글의 x-선 분광학 등 x-선 반사율25, x 선 회절26,27, 두 번째 고조파 발생28,29또는 ellipsometry30박막 증 착 프로시저에 추가할 수 있습니다. 이 박막 성장 조건의 실시간 모니터링에 대 한 구조 및 구성 특성을 활성화 것 이다. 우리의 프로토콜 팬 들은 어떤 현장에서 진단의 정보를 포함 하지 않습니다, 우리의 보고서 잠재적으로 중요 한 표면 속도 합성 하는 동안 발생할 수 있는 구조적 진화의 부족 이다. 또한, 우리의 프로토콜 손 혼합 하 고 옥수 박격포와 유 봉 접지 되도록 구성 분말에 대 한 호출 합니다. 그러나 사회에서 다른 사람, 셰이 커7 과15, 손 연 삭의 실제 수요를 제거 하 여 더 일관 된 결과 줄 수 있습니다 YSZ 또는 옥수 미디어 사용 하 여 밀링 볼의 사용을 보고 있다.

그러나 우수한 품질의 영화를 생산 하는 설명 하는 방법,, 몇 가지 기술에 한계 있다. PLD은 크게 레이저 에너지의 드리프트 인해 두께 1 μ m 넘어 영화 성장에 도전 합니다. 레이저 에너지의 드리프트는 시간과 함께 엑 시 머 레이저 튜브에서 F2 가스의 패 시 베이 션 및 가스의 여기 발생할 수 있습니다. 또한, 레이저 에너지 드리프트 소재 증 착 챔버 (그림 3b)에 UV 투명 레이저 창에에서 발생할 수 있습니다. 우리의 프로토콜 ~ 80 nm 두꺼운 필름 6.7의 산소 압력을 사용 하 여 증 착을 보고 파; 이 성장 전후 우리 ~ 10% 내장 감쇄31는 UV 레이저 창의 전송에 있는 변화를 관찰 하지 않습니다. 증 착, 촬영, 상대적으로 낮은 수 및 우리의 증 착 챔버의 형상 중에 사용 하는 상대적으로 높은 산소 압력의 결과 수 있습니다. 낮은 반응 가스 압력, 또는 다른 레이저 창 위치는 대상에 대해 평가할 수 있 큰 두께의 영화의 증언 레이저 에너지 드리프트에서 형태소 분석 하는 문제가 발생할 수 있습니다. 레이저 튜브에서 F2 가스의 패 시 베이 션으로 인해 에너지 드리프트 신선한 가스와 함께 정기적으로 작성 하 여 최소화 될 수 있다와 레이저 에너지의 감소를 보상 하기 위해 증 착 시 내부 레이저 에너지 미터 보고 에너지 모니터링 한 여기 전압에 있는 증가.

엔트로피가 안정 된 산화물 5 개 이상의 양이온 엔트로피 및 대량 안정화 온도 구성에 크게 종속 되는 경향이 있다. 현재 다른 증 착 방법 보고 되었습니다 성공적으로 얇은 엔트로피 안정 산화물을 성장 하는 동안 영화, 화학 량 론 증발 및 PLD16,32 에서 대상에서 최고의 화학 제공할 수 있습니다. 동질성입니다. 그러나 예를 들어, MBE 및 스퍼터 링는 대체 물리적 증기 증 착 기술을 고품질 박막33,34,, 입금 하는 데 사용할 수 있는 MBE 및 정확한 교정 필요 대상 공동 스퍼터 링 여러 고 5 개별 소스에서 안정적인 플럭스입니다. 이 작업은 성가신 및 이러한 기술을 가정 영화의 증 착을 통해 화학 동질성 엔트로피 안정 재료 입금 입증 될 수 있다 설정에 성사는 예상 보여줍니다. 또한, 벌크 재료 엔트로피 안정화 단계를 유지 하기 위해 높은 온도에서 냉각 필요, 열역학 포인트 결함의 상당한 밀도 격자 매개 변수, 저항력, 및 유 전체에 대 한 정확한 결정 되지 않을 수 있습니다. 속성입니다. 이론에서는, PLD 같은 결함35 의 밀도 제어 기능 및 구조적 속성의 정확한 결정을 가능 하 게 하는 기능을 제공 해야 합니다. 따라서, 여기에 제시 된 방법론은 소설의 조사와 이러한 자료의 거 대 한 기능적 속성에 대 한 중요 한.

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Disclosures

공개 하는 것이 없다.

Acknowledgments

이 작품 국립 과학 재단 교부 금에 의해 아니요 부분에 투자 되었다 DMR-0420785 (XPS)입니다. 우리 XRD 미시간 대학 미시간 센터 (MC)2, XPS와 그것의 지원 및 미시간 대학 반 Vlack 실험실에 대 한 재료 특성에 대 한 감사. 우리는 또한 대량 재료 준비와 그의 지원에 대 한 토마스 Kratofil를 감사 하 고 싶습니다.

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

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References

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공학 문제 135 합성 엔트로피가 안정 된 산화물 펄스 레이저 증 착 도자기 박막 피를 대량
대량 및 Compositionally 변형 엔트로피 안정 산화물의 박막 합성
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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).

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