בתפזורת, סרט דק סינתזה של תחמוצות מיוצב אנטרופיה Variant מאלכוהול

* These authors contributed equally
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

הסינתזה של איכות גבוהות בתפזורת, סרט דק (מ"ג0.25(1-x)Coxני0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O ו (מ"ג0.25(1-x)Co0.25(1-x)ני0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x )) O מיוצב אנטרופיה תחמוצות מוצג.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

כאן, אנו מציגים את הליך לסינתזה של סרט דק multicomponent (מ"ג0.25(1-x)Coxני0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) של אוניות צובר O (Co variant) ו- (מ"ג0.25(1-x)Co0.25(1-x)ני 0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (גרסה Cu) אנטרופיה מיוצב תחמוצות. שלב טהור ולא הומוגנית מבחינה כימית (מ"ג0.25(1-x)Coxני0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0.20, 0.27, 0.33) ו- (מ"ג0.25(1-x)Co0.25(1-x)ני0.25(1-x) CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0.27) כדורי קרמיקה הם מסונתז והוא בשימוש בתצהיר של איכות גבוהה במיוחד, שלב טהור, יחיד סרטים רזה הגבישי של סטויכיומטריה היעד. מתודולוגיה מפורט עם העדות של סרטים רזה תחמוצת חלקה, הומוגניות מבחינה כימית, אנטרופיה מיוצב על ידי לייזר פעמו התצהיר על מצעים MgO (001) מונחה מתואר. שלב ואת crystallinity של צובר וחומרים סרט דק מאושרות באמצעות קרני רנטגן. הלחנה ו כימיות הומוגניות מאושרות על-ידי photoelectron הספקטרומטריה הספקטרומטריה ואנליזת אנרגיה. הטופוגרפיה משטח של סרטים רזה נמדד עם סריקת בדיקה מיקרוסקופית. הסינתזה של איכות גבוהה, סרטים רזה תחמוצת גבישי, מיוצב אנטרופיה יחיד מאפשר חקר ממשק, גודל, זן ואפקטים הפרעה על המאפיינים בכיתה החדשה הזאת של תחמוצת המתוסבכים ביותר חומרי.

Introduction

מאז גילוי סגסוגות המתכת אנטרופיה גבוהה בשנת 2004, אנטרופיה גבוהה חומרים משכו עניין משמעותי בשל מאפיינים כגון גדל קושי1,2,3, קשיחות4, 5, קורוזיה-התנגדות-3,-6. לאחרונה, אנטרופיה גבוהה תחמוצות7,8 ו בוריד9 התגלו, פתיחת מגרש משחקים גדול לחובבי גשמי. תחמוצות, בפרט, יכולים להדגים דינאמי ושימושי מאפיינים פונקציונליים כמו ferroelectricity10,11,magnetoelectricity12, thermoelectricity13ו מוליכות-על14 . תחמוצות מיוצב אנטרופיה (כמה) הראו לאחרונה להחזיק מעניין, מאלכוהול תלויי-מאפיינים פונקציונליים15,16, למרות להפרעה משמעותית, גורם זה סוג חדש של חומרים מרגש במיוחד.

מיוצב אנטרופיה שחומרים הומוגנית מבחינה כימית, ל (בדרך כלל קיימים המרכיבים חמישה או יותר), חומרים חד-פאזי איפה התרומה המבצעות entropic (Equation 1) כדי האנרגיה החופשית של גיבס (Equation 2) הוא משמעותי . כדי לגרום להיווצרות של יחיד שלב תמיסה מוצקה17. הסינתזה של כמה ל, איפה הפרעת המבצעות cationic נצפית על פני האתרים הקטיון, דורש שליטה מדויקת הרכב, הטמפרטורה, קצב התצהיר, להרוות קצב, להרוות טמפרטורה7,16 . שיטה זו מבקשת לאפשר את המתרגל היכולת לסנתז שלב טהור, כדורי קרמיקה תחמוצת מיוצב אנטרופיה הומוגנית מבחינה כימית, שלב טהור, יחיד גבישי, שטוח דק סרטים של סטויכיומטריה הרצוי. חומרי תפזורת יכול להיות מסונתז עם יותר מ 90% צפיפות התיאורטי המאפשר לימוד אלקטרוניים מגנטיים, מבניים המאפיינים או להשתמש כמקורות עבור סרט דק אדי הפיזי התצהיר (PVD) טכניקות. כמו תחמוצות מיוצב אנטרופיה נחשב כאן יש חמש קטיונים, טכניקות PVD סרט דק כי מעסיקים חמישה מקורות, כגון קרן מולקולרית epitaxy (בין) או שיתוף התזה, יוצגו עם האתגר של הפקדת הומוגנית מבחינה כימית סרטים רזה בשל כדי שטף סחיפה. פרוטוקול זה תוצאות יחידה הומוגנית מבחינה כימית, גבישי, שטוח (שורש ממוצע הריבועים (RMS) החספוס של ~0.15 ננומטר) אנטרופיה מיוצב תחמוצת סרטים רזה ממקור גשמי יחיד, אשר מוצגים להחזיק את ההרכב הכימי הנומינלי. פרוטוקול סינתזה זה סרט דק עשוי להיות מוגברת על ידי הכללת בחיי עיר אלקטרון או שיטות אפיון אופטי עבור ניטור בזמן אמת של הסינתזה, בקרת איכות מעודן. מגבלות הצפוי של שיטה זו נובעים להיסחף האנרגיה לייזר אשר עשוי להגביל את העובי של סרטים באיכות גבוהה מתחת 1 μm.

למרות ההתקדמות משמעותית הצמיחה ואת אפיון של סרט דק תחמוצת חומרים10,18,19,20,21, המתאם בין סטריאוכימיה ו מבנה אלקטרוני תחמוצות יכול להוביל הבדלים משמעותיים החומר הסופי הנובעות הבדלים מתודולוגיים לכאורה חסר חשיבות. יתר על כן, השדה של תחמוצות מיוצב אנטרופיה ל הוא מעדיף נייסנט, עם רק שני דוחות הנוכחי של סרט דק סינתזה ספרות7,16. הירשן להשאיל את עצמם במיוחד לתהליך זה, עקיפת אתגרים שהוצגו על ידי בתצהיר אדים כימיים epitaxy קרן מולקולרית. כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט סינתזה של תפזורת, דק סרטים הירשן (איור 1), על מנת למזער את חומרי עיבוד קשיים, המאפיין לא מכוונות וריאציות, ולשפר את התאוצה של גילוי בשטח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התראה: ללבוש נחוץ ציוד מגן אישי (עיקרון השוויון הפוליטי) כולל פאיתאי, מכנסיים באורך מלא, בטיחות משקפיים, מסיכת סינון חלקיקים, חלוק, כפפות כמו תחמוצת אבקות מהווים סיכון עבור קשר גירוי בעור וגירוי קשר עין. להתייעץ עם כל גליונות נתונים בטיחות חומרים רלוונטיים לפני תחילת עבור דרישות נוספות של עיקרון השוויון הפוליטי. סינתזה צריך להיעשות עם השימוש של פקדים הנדסה כגון ברדס fume.

1.. צובר סינתזה של תחמוצות מיוצב אנטרופיה

  1. חישוב מסת תחמוצת בוחרים אבקות
    1. מעריכים הרצוי המסה הכוללת של המטרה על ידי הכפלת לנפח הרצוי הצפיפות הממוצעת של תחמוצות בינארי המרכיבים אותה.
      Equation 3
      Equation 4
      איפה Equation 5 , Equation 6 השבר השומה, הצפיפות של Equation 7 th רכיב. 1."קוטר (2.54 ס מ), ⅛" דוגמת עבה (0.3175 ס מ), אמצעי האחסון המטרה הוא Equation 8 1.7 ס מ3.
    2. לקבוע את השומות הנדרשת של כל רכיב על-ידי חלוקת המיסה למטרה זו על ידי המסה טוחנת הממוצע של תחמוצות בינארי המרכיבים אותה.
      Equation 9
      Equation 10
      איפה Equation 11 הוא המסה טוחנת של Equation 7 th רכיב. להמיר את המספר של שומות, Equation 12 , חזרה ל גרם על ידי
      Equation 13
      הערה: המוני המרכיבים ויצירות יישוב של החומרים מסונתז כאן ניתנים בטבלאות 1 ו- 2.
  2. Preprocessing באבקות תחמוצת
    1. ניקוי של אגת שהעקב ופצצות מרגמה על ידי חריטה עם 20 מ של aqua regia (עב ס3 + 3 HCl). שופכים החומצה לתוך המליטה, לטחון עם איחדו עד החלק התחתון הוא ברור. להיפטר החומצה כראוי, לשטוף עם מים.
    2. לשלב 0.559 גר' MgO, 1.103 גר' CoO, g 1.035 של האלוהות, 1.103 גר' CuO ו- g 1.129 באבקות ZnO (עבור הרכב equimolar) שבחומר המליטה נקי.
    3. באמצעות איחדו את נקייה, לטחון את האבקה באמצעות תנועות עם כיוון השעון עבור 20 סיבובים, ואז פונה 20 נגד כיוון השעון. חזור על תהליך זה מרית מתכת נקייה כדי להסיר את אבקת צדי המליטה ולצחצח את האבקה אל המרכז של חומר המליטה לפחות 45 דקות שימוש.
      הערה: אבקת ערבוב וגריסה הושלמו בעת האבקה היא הומוגנית אפור-שחור בצבע, מופיעה דק הקרקע, ואני מרגיש חלקה.
    4. להעביר את האבקה לתוך מיכל נקי, sealable להעברה.
  3. צניפה קרמיקה דחופים
    התראה: ללבוש כפפות בטיחות משקפיים כאשר בהרכבת ה מת ובזמן העיתונאים הוא בשימוש. בצע שלבים הרכבה וניקוי למות כולו על משטח נייר נקיה. הרכיבים המשמשים מוצגים באיור2.
    1. לשמן את הצדדים ואת הפנים הפנימי של הבוכנה התחתונה קטן (שכותרתה C ב איור 2a ו- 2b) של המבלט עם שמן מינרלי והכנס לתוך הגליל למות עד שזה יהיה מיושר עם התחתון.
    2. גליל נייר שוקלים לתוך החלל של המבלט כך צדי הקובייה מכוסים. שופכים את האבקה לתוך החלק התחתון של הקובייה. מבלי לאפשר הבוכנה קטן ייפול לי ה מת, טפח בעדינות את החלק על הדלפק כדי להסיר את כל כיסי אוויר ורמת האבקה. הסר בזהירות את הנייר השקילה.
    3. להוסיף כמות קטנה של אצטון האבקה בחלל של הקובייה כדי ליצור של slurry. הדבר מאפשר זרימה תבואה ואילו המטרה תחת לחץ מעכבת היווצרות של חללים.
    4. לשמן את הצדדים ואת הפנים הפנימי של המשאבה (חלק ב' ב איור 2a ו- 2b) בשמן פרפין, להיות זהירים כדי לא להפריע את האבקה. להוסיף את החלק הזה לתוך הקובייה. במקום ה מת התאספו לתוך המכונה דחופים בתמונה איור 2 c, כולל הלוחות העליונים והתחתונים (חלקים D באיור 2a ו- 2b) כדי לספק במשטח.
    5. מקום למות בעיתונות uniaxial קר. לשאוב את הזרוע העיתונות עד 200 מגפ ס. לאפשר לתקשורת לשבת במצב דחוס עבור 20 דקות. הלחץ להירגע עם הזמן כמו האבקה densifies. הוסף לחץ לפי הצורך כדי לשמור על 200 MPa משך זמן דחופים. לנגב כל הממס עודף זה דליפות מתוך ה מת.
    6. שחרור הלחץ העיתונות. הסר בזהירות את הלוחות העליונים והתחתונים. מקם את הסרת מעטפת ואת להסרת בוכנה כפי שמוצג באיור 2 c. הקש לאט, הסרת החלק הקטן למות מכלול לפני חשיפת המטרה לחוץ. הקש את מכלול בזהירות עד היעד נחשף מן ה מת. הסר בזהירות את הגוף ירוק ואת העברת כור היתוך עבור סינטור.
  4. סינטור קרמיקה
    התראה: חומרים היעד לכלותה של טמפרטורות גבוהות. ללבוש כפפות חום עמיד ו מגן הפנים בעת הסרת המכשפות התנור חם.
    1. השגת של כור אלומינה שתתאים את אבקת לחצה של שכבה 2 מ מ של Yttria-Stabilized אסתטיים (YSZ) 0.1-0.2 מ מ חרוזים. המעיל התחתון של ציד המכשפות עם חרוזים YSZ.
      הערה: הציפוי צריך להיות כ- 2 מ מ עובי כדי להבטיח כי המטרה לא פנה אל התחתון של הכור.
    2. לאט ובזהירות להעביר למרכז של ציד המכשפות המטרה לחוץ.
    3. בזהירות באמצעות מלקחיים ממתכת, תחבורה אל התנור מתיכות ציד המכשפות. מעלה את הטמפרטורה עד 1100 ° C-50 ° C דקות-1. מדבקק את המטרה במשך 24 שעות ביממה ב 1100 מעלות צלזיוס באווירה אוויר.
    4. בעוד ב 1100 מעלות צלזיוס, הסר המכשפות הכבשן. במהירות באמצעות מלקחיים, להרוות את המטרה במים בטמפרטורת החדר. המטרה להתיז ב-30 ~ s, ואז להסיר אותה מן המים ולהגדיר להתייבש.
    5. לאחר היעד הוא קריר ויבש, מודדים את צפיפות היעד ולהשוות מהערך תיאורטית, Equation 14 , מחושבת בחלק 1. מודדת את המסה של המטרה על האיזון נעשה שימוש בעבר, למדוד את ממדי באמצעות מחוגה. היחס של צפיפות נמדד על הערך המשוער, Equation 15 , נותן לצפיפות תיאורטית אחוז.
      הערה: לאחר הסינתזה, הצפיפות היא בדרך כלל ~ 80% של צפיפות תיאורטי.
    6. צפיפות גבוהה יותר, regrind המטרה sintered באמצעות שהעקב פצצות מרגמה, חזור על הפעולות בצובר סינתזה מהשלב 1.2.3. לאחר השני סינטור, לקבוע את הצפיפות של המטרה.
      הערה: בדרך כלל נמדד צפיפות היא Equation 16 צפיפות התיאורטית, אשר מתאים לייזר פעמו התצהיר (לחמש נשקים).

2. לחמש נשקים ESO קריסטל אחד הסרטים

  1. הכנה היעד
    1. כדורי קרמיקה בצובר מסונתז בשלב 1 ישמש עכשיו התצהיר מקורות (מטרות). לשכלל את target(s) בתנועה סיבובית באמצעות גריסים (320/600/800/1200) מתקדמת SiC נייר עד פני השטח רפלקטיביים ואחידה.
    2. להציב המטרות על הקרוסלה מסתובבת בתוך החדר ומניחים פיסת נייר צריבה ~ 2 ס"מ על 2 ס"מ על המטרה הסופית בנתיב קרן.
    3. למדוד את גודל ספוט לייזר על ידי לירות אף יריה על המטרה ומדידת הסימן צריבה הנוצרת לאורך שני הצירים. אם הגודל ספוט היא אינה נכונה, להתאים את התמקדות העדשה (איור 3 א). להתאים את גודל ספוט נמדד עד אליפסה, 0.27 ס"מ x 0.24 ס"מ לאורך שני הצירים מושגת.
    4. הסר את הנייר צריבה וסגור את הדלת לפינוי. לפנות את החדר באמצעות מגילה יבש roughing משאבת כדי בלחץ של 6.7 הרשות הפלסטינית, באיזה שלב משאבת טורבו יכול להיות טוו עד שיעור של 1,000 הרץ.
    5. לשאוב החדר כדי בלחץ הבסיס לפחות 1.3 x 10-5 הרשות כפי שהיא נמדדת על ידי מד יון. לאחר שהגעת, להפחית טורבו במהירות של 200 הרץ כדי לאפשר את השימוש בגז תהליך במהלך הגידול.
  2. הכנת הרקע
    1. לנקות יחיד גבישי, צד אחד מלוטש, המצע MgO בעובי 0.5 מ מ על ידי sonication למשך 2 דקות כל טריכלורואתילן כיתה מוליכים למחצה (TCE), מוליכים למחצה כיתה אצטון, ואת טוהר גבוהה אלכוהול איזופרופיל (IPA).
    2. לנפנף את המצע בגז2 N יבש במיוחד, דחוס, וגם לצרף את המצע גליל המצע (איור 3b) עם כמות קטנה של צבע כסף מוליך חום. לחמם את המצע ואת משטח ° C למשך 10 דקות על פלטה חמה כדי לרפא את הצבע הכסוף.
    3. בעזרת הכלי העברה חיצוני, מקום בעל המצע על הזרוע העברה בבית הבליעה לטעון את המנעול, חותם ואז לשאוב החדר כדי בלחץ של פחות 1.3 x 10-4 הפלסטינית.
    4. להעביר את המצע אל החדר הצמיחה על ידי לפתוח את השסתום בין השניים באמצעות הזרוע העברה למקום גליל המצע על מכלול מחמם.
    5. . משכי את הזרוע העברה בחזרה לתוך המנעול עומס, החותם את השער. . תוריד את החימום באמצעות מכלול בורג בראש הלשכה.
  3. אנרגיית לייזר, הכשרון
    הערה: התצהיר מופעלת כברירת ההקרנות של לייזר excimer פעמו KrF 248 ננומטר. רוחב פולס לייזר הוא ~ 20 ns.
    1. למדוד האנרגיה לייזר באמצעות מד האנרגיה להציב נתיב קרן, קצת לפני הכניסה לחדר (איור 3 א). לקבוע את האנרגיה מרושע לאחר בין את פוטודיודה עם 50 פולסים בקצב של 2 הרץ.
    2. להשתנות המתח עירור לייזר עד אנרגיה הדופק הממוצע של 310 mJ עם ± 10 mJ יציבות. הסר את מד האנרגיה הנתיב בים כדי לאפשר את הלייזר לעבור אל החדר.
      הערה: באמצעות הנחתה של לייזר של חלון החדר של 10%, תצורת לעיל נותן את הכשרון של 2.55 J ס מ-2. המרחק המצע-יעד בעבודה זו הוא 7 ס מ. הבדל המצע-מטרה שונים עשויים לשנות תנאים אידיאליים התצהיר ושיעור צמיחה.
  4. דפוזיציה
    1. לפני הצמיחה, לחמם את המצע עד 1000 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ב קצב של 30 מעלות צלזיוס דקות-1 בואקום כדי dehydroxylize את פני השטח של MgO קריסטל. להפחית את הטמפרטורה עד 300 ° C ב- 30° דקות-1 , מאפשרים equilibrate למשך 10 דקות.
      הערה: הטמפרטורה המדווחת נקבעות על צמד תרמי בגוש מחמם.
    2. זרימה טוהר גבוהה במיוחד (99.999%) O2 גז לתוך החדר כדי להגיע בלחץ של 6.7 הפלסטינית.
      הערה: כאשר חמצן עפה לתוך החדר, הלחץ הוא נמדד באמצעות מד של barotron. הגז הוא הציג באמצעות בקר זרימת מסה, כמו חלק ממערכת לולאה סגורה אשר מייצבת קאמרית הלחץ במהלך צמיחה.
    3. לנקות את המטרות של כל מזהמים הנותרים ולהכין אותם לצמיחה על ידי אבלציה מראש. הגדר את היעד הנבחר רסטר לסובב, כך הלייזר הוא לא מכה באותו המקום בכל פעם, לוודא כי המצע צמצם סגור, ablate היעד עבור 2,000 פולסים בקצב של 5 הרץ.
      הערה: המטרה כעת מוכנה, המערכת נמצאת על התנאים הנכונים (טמפרטורה, לחץ, הכשרון) עבור התצהיר.
    4. פתח את התריס לפני התצהיר. על תנאים אלה, פולסים 10,000 ב- 6 הרץ מייצר סרט ~ 80 ננומטר עבה.
      הערה: את שיעור הגידול נקבע על ידי השתקפות קרני רנטגן ב עבודה קודמות16.
    5. לאחר התצהיר, להגביר את לחץ חלקי של חמצן כדי 133 הרשות הפלסטינית (1.0 טנדר של גוה של) כדי לעכב היווצרות של חמצן משרות פנויות. להפחית את הטמפרטורה מדגם ל- 40 ° C-10 ° min-1. ברגע מתמלאת 40 ° צלזיוס, לסגור את זרימת החמצן, לאחר הייצוב של לחץ, תפתח את השסתום בין התא צמיחה המנעול עומס. להעלות את החימום, להשתמש בזרוע העברה כדי להסיר את משטח המצע מכלול בחזרה לתוך המנעול עומס.
    6. לפרוק את המנעול עומס לאווירה ולהסיר את הדגימה באמצעות הכלי העברה חיצוני. הסר את הדגימה גליל באמצעות גילוח פולנית גליל להוריד את הצבע הכסוף הנותרים, הופקד חומר. חזור על הפעולות החל משלב 2.2 לצמיחה סרט נוסף.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

רנטגן עקיפה (XRD) הספקטרום צולמו של שניהם מוכנה (מ"ג0.25(1-x)Coxני0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O (x = 0.20, 0.27, 0.33) ו- (מ"ג0.25(1-x)Co0.25(1-x)ני0.25(1-x )CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0.27) לרשימת תפוצה קרמיקה (איור 4a), שהופקדו סרטים רזה (איור 4b). נתונים אלה מראים כי הדגימות הן חד-פאזי, ניתן להשתמש בהקביעה של קבוע סריג גבישי באיכות, עובי הסרט. רנטגן photoelectron ספקטרוסקופיה (XPS) (איור 5), מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) (איור 6) הנתונים נלקחו לקביעת ההרכב הנומינלי של המטרות והן סרטים וכדי להראות באיכות פני השטח של הסרטים דק הופקדו.

ספקטרה XRD מדגימות ESO בצובר מראה כי היצירות מסונתז הם חד-פאזי מלחי רוק עם סריג פרמטרים של 4.25 Å, 4.25 Å 4.24 Å עבור XCo = 0.20 0.27, 0.33, בהתאמה. ערכים אלה הם בהסכם יחסי עם החוק של Vegard ודיווח אלה בהפניות 7 ו- 16. הפרמטרים סריג היו נחושים באמצעות שיטה של כהן22. הסרטים ההפקדות הן ליחיד גבישי, epitaxial אל המצע MgO (001) מונחה כפי שנצפו רק 002 ו 004 הסרט הפסגות. בשולי לאווה שנצפו על הפסגות 002 ו 004 הם תוצאה של גבישי באיכות גבוהה וממשקים חלקה של הסרטים הופקדו. התקופה של תנודות נקבעת לפי העובי של הסרט, מגלה עובי ESO של ~ 80 ננומטר, עקבי שלנו בעובי נומינלי.

XPS נתונים להראות כי כל המרכיבים אותה קטיונים ב- ESO שניהם לרשימת תפוצה דגימות, סרטים רזה הן הסתחררו 2 + וגבוה (במקרים המתאימים) המדינה. יצירות שמחושבים ספקטרה אלה מראים כי כל דוגמאות של הרכב נומינלית, עד בתוך < שגיאה 1%. יצירות התקבלו על ידי התאמת הנתונים XPS פונקציה שירלי רקע ב- CasaXPS. מפות כימי EDS גם מסכים עם ההרכב נומינלית, מראים כי הסרטים הופקדו הומוגנית מבחינה כימית בסולם באורך של 10-100 Equation 17 מ'.

AFM micrographs מראים כי הדגימות שטוחה על פני 5 Equation 17 ז x 5 Equation 17 m טווח סריקה עם RMS בערכי חספוס של 1.1 1.2,, ו- 1.4 Å עבור XCo = 0.20 0.27, סרטים 0.33, בהתאמה. נמוך זווית 2Equation 18-Equation 19 נתונים XRD מסכים עם מספרים אלה חספוס16. המראה המחוספס של שיא אל שיא של הסרטים הוא כ 3.3 Å בכל המקרים, אשר נמצא במרחק פחות מ הקבועים סריג בהתאמה של הסרטים, לייחס את הרעש של המכשיר. AFM תמונות עובדו באמצעות תוכנה נובה NT-MDT.

Figure 1
איור 1 : תרשים זרימה המציג סדר פעולות של תחמוצת מיוצב אנטרופיה (ESO) סרט דק סינתזה. ראשית, כדורי קרמיקה ESO מסונתז בצובר. לאחר מכן, הדגימות ablated עם לייזר ובעוצמת הינם הספוחה על גבי מצע להפקיד יחיד סרטים רזה גבישי. Crystallinity, טופוגרפיה, סטויכיומטריה, הומוגניות הם הוכיחו באמצעות קרני רנטגן עקיפה (XRD), מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), photoelectron הספקטרומטריה (XPS) ואנרגיה-ואנליזת הספקטרומטריה (עורכים), בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: חלקים () ו- (b) תיאור סכמטי של הקובייה דחופים. החלקים הם ת למות, ב': הבוכנה, c: בוכנה קצר, למעלה d:, לוחות, ה': הסרת בוכנה ו f: הסרת מעטפת. (ג) תמונה המציגה את הקובייה מוכן ללחץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : שרטוטים של לייזר פעמו התצהיר (לחמש נשקים) אופטי, ואקום תא. () איור של הנתיב אופטי של. לחמש נשקים המערכת ו- (b) שוט הסחה נוף של תא ואקום. הקרן היא ממוקדת על המטרה, איפה זה מרגש של הפלומה פלזמה זה adsorbs אז על גבי המצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : 2 Θ באמצעות - Ω ספקטרה רנטגן עקיפה (XRD) מדגימות ESO-מוכן. () 2Equation 18-Equation 19 XRD ספקטרה מ- ESO מוכן לרשימת תפוצה דגימות. הפסגות שכותרתו יתאימו למבנה האידיאלי גבישי מלח, נוכחות של אין משני שלבים. (b) XRD ספקטרום של ESO דק סרטים גדל על מצעים MgO (001) מונחה. הספקטרום לחשוף את הנוכחות של הפסגות הסרט 001, הוכחת שלב טוהר, epitaxy. (פנימי) ברזולוציה גבוהה 2Equation 18-Equation 19 XRD לסרוק סביב הסרט 002 ואת פסגות המצע, מראה בבירור לאווה תנודות על השיא בסרט, הוכחת סרטים הם שטוח באיכות מעולה גבישי. * מציין בהשתקפות המצע MgO 002. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 : והומוגניות סרט דק ESO דגימות. מטרות ESO () XPS של Co משתנה, משתנה Cu וסרטים רזה, מראה כי כל הדגימות של הרכב הנומינלי. (b) רנטגן ואנליזת אנרגיה מפות ההלחנה ספקטרוסקופיה (עורכים), מראה כי הסרטים הן הומוגניות מבחינה כימית. גודל ברים = 30 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 : קשר AFM תמונות של הגרסה הופקדו Co (למעלה), סרטים Cu משתנה (למטה), מציג את כל הסרטים שיש תת יחידה תא שורש ממוצע הריבועים (RMS) החספוס. התבנית תקופתיים למעלה שמאל למטה ימין היא פועל יוצא של המדידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Table 1
טבלה 1: המוני המרכיבים Co גרסה ESO.

Table 2
טבלה 2: המוני המרכיבים Cu גרסה ESO.

Table 3
טבלה 3: XPS נקבע קומפוזיציות של מטרות ESO variant Co וסרטים רזה.

Table 4
טבלה 4: XPS נקבע קומפוזיציות של Cu-variant ESO מטרות וסרטים דק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ואנו שמוצג פרוטוקול לסינתזה של תפזורת, באיכות גבוהה, אחד הסרטים גבישי (מ"ג0.25(1-x)Coxני0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) תיארו O (x = 0.20, 0.27, 0.33) ו- (מ. ג.0.25(1-x) Co0.25(1-x)ני0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x)) O (x = 0.11, 0.27) תחמוצות מיוצב אנטרופיה. אנו מצפים טכניקות סינתזה אלה להיות ישים למגוון רחב של יצירות מיוצב אנטרופיה תחמוצת יותר מאותרים להתפתחות והתרחבות של השדה. עוד, הסינתזה של תחמוצות מיוצב אנטרופיה מאלכוהול מגוונת מציעה פלטפורמה ללמוד את התפקידים של הפרעה מבניים וכימיים על מאפיינים פונקציונליים.

בעוד הפרוטוקול שלנו מוביל חד-פאזי באיכות גבוהה מיוצב אנטרופיה תחמוצות, קיימות מגבלות על הטכניקה, שינויים הסינתזה יכול להיות שחזה ההבנה מתקדמת של החומר ואת הפארמצבטית גבוה יותר של הסינתזה. בהמשך מתאר שלבים קריטיים בתוך פרוטוקול, שינויים אפשריים, פתרון בעיות, מגבלות של הטכניקה, המשמעות לגבי שיטות קיימות, ואנו שנחזה יישומים עתידיים עבור טכניקה זו. שלבים קריטיים לתהליך זה סינטור, מרווה, את dihydroxylation של פני השטח MgO, וקביעת וניטור של הכשרון לייזר. על הדגימות בצובר להיות חד-פאזי, זה חיוני כי הם רכיבים לפחות 24 שעות ביממה, מתרצה במהירות של הטמפרטורה מתיכות. אם המטרות בצובר אינם חד-פאזי, או של צפיפות הרצוי, הם יכולים להיות reground, מודחקים להגיע צפיפות גבוהה יותר. Dihydroxylation של פני השטח MgO הוא גם שלב קריטי, כמו נסיונות לצמיחה (001) מונחה MgO ללא תוצאה זו בסרטים אמורפי. עוד נושא מפתח הגבלה של הטכניקה כוללת נסחף האנרגיה לייזר המוביל סטייה מן התנאים התצהיר המיועד. זה נדון יותר לעומק בהמשך.

השינויים שביצעת הטכניקה להגדיל הפארמצבטית ולאפשר פתרון בעיות בזמן אמת. בפרט, ב באתרו ניתוח, כגון השתקפות אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה עקיפה23 (RHEED), נמוך-זווית צילום רנטגן ספקטרוסקופיה24, רנטגן השתקפות25, קרני רנטגן26,27, שנית ניתן להוסיף דור הרמונית28,29, או ellipsometry30, ההליך התצהיר סרט דק. הדבר יאפשר אפיון מבניים ההלחנה עבור ניטור בזמן אמת של התנאים צמיחה סרט דק. כמו פרוטוקול שלנו אינו כרוך בכל אבחון בחיי עיר , הדוח שלנו של קינטיקה משטח שעשוי להיות קריטי ואבולוציה מבניים, שעלולות להתרחש במהלך הסינתזה, לוקה בחסר. יתר על כן, הפרוטוקול שלנו דורש אבקות בוחרים להיות יד מעורב ומקורקע עם עלי ומכתש אגת. עם זאת, דיווחו אחרים בקהילה, שימוש שאכר7 ו הכדור כרסום15, באמצעות מדיה YSZ או אגת, אשר ייתן תוצאות עקביות יותר על-ידי ביטול הדרישה הפיזית של היד שחיקה.

השיטה המתוארים מייצרת סרטים באיכות מעולה, עם זאת, ישנן מספר מגבלות הטבועות את הטכניקה. . לחמש נשקים מקל מאתגר לגדל סרטים באופן משמעותי מעבר 1 μm של עובי בשל הסחף של האנרגיה לייזר. הסחף של האנרגיה לייזר יכול להתרחש עקב של פסיבציה של F2 גז בצינור לייזר excimer עם הזמן ו עירור של הגז. עוד, הסחף האנרגיה לייזר יכול להתרחש מן התצהיר גשמי על חלון שקוף לייזר UV על החדר (איור 3b). פרוטוקול שלנו דוחות העדות על ~ 80 ננומטר בעובי סרטים באמצעות לחץ החמצן של 6.7 הרשות הפלסטינית; לפני ואחרי הצמיחה הזו, אנחנו לא להבחין בשינוי השידור של החלון לייזר UV, אשר הנחתה מהותי ~ 10%31. זה עשוי להיות תוצאה של לחץ חמצן גבוהה יחסית במהלך התצהיר, מספר נמוך יחסית של יריות, הגיאומטריה של הקאמרית התצהיר שלנו. התצהירים של סרטים של עוביים ניכרת גדולים יותר, עם לחץ גזים תגובתית נמוכה יותר, או מיקום חלון לייזר שונים לגבי היעד עלול להיתקל בקשיים הנובעים להיסחף האנרגיה לייזר. הסחף אנרגיה בשל פסיבציה של F2 גז בצינור לייזר ניתן למזער על ידי מילוי שגרתי עם גז טרי, ניטור האנרגיה שדווחו על-ידי מד האנרגיה לייזר פנימית במהלך התצהיר. כדי לפצות על כך, ירידה של אנרגיית לייזר עם לודיג עירור מתח.

תחמוצות מיוצב אנטרופיה נוטים להיות בעלי חמישה או יותר קטיונים שבו הטמפרטורה מייצב אנטרופיה, בצובר תלויים באופן דרסטי קומפוזיציה. ואילו כיום אין שיטה לעדות אחרות דווחה לגדל תחמוצת מיוצב אנטרופיה דק סרטים, אידוי stoichiometric העברה מן המטרה ב16,. לחמש נשקים32 עשוי לספק החומר הכימי הטוב ביותר הומוגניות. למשל, בין התזה נמצאים אדי גופנית אלטרנטיבית התצהיר טכניקות ניתן להפקיד באיכות גבוהה סרטים רזה33,34, עם זאת, בין והיא מרובים מטרה משותפת sputtering דורשת כיול מדויק, השטף יציב ממקורות נפרדים חמש. משימה זו היא מסורבלת, ממחיש את הצפוי difficultly בהקמת ההומוגניות כימיים לאורך כל העדות של הסרט, בהנחה שיטות אלה ניתן להוכיח להפקיד חומרים מיוצב אנטרופיה. יתר על כן, החומרים בכמות גדולה דרוש שכבתה של טמפרטורה גבוהה כדי לשמור על השלב מיוצב אנטרופיה, צפיפות משמעותית של פגמים נקודת התרמודינמית עשוי למנוע קביעה מדויקת של פרמטר סריג, resistivity דיאלקטרי מאפיינים. בתיאוריה, לחמש נשקים צריך לספק את היכולת לשלוט הצפיפות של פגמים כאלה35 ולאפשר את הקביעה מדויקת של מאפיינים מבניים פונקציונלי. לפיכך, המתודולוגיה המוצגת כאן היא משמעותית עבור החקירה של הרומן, מאפיינים פונקציונליים ענק של חומרים אלה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין לנו לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו הייתה מומן בחלקו על ידי מענק הקרן הלאומית למדע לא. DMR-0420785 (XPS). אנו מודים מישיגן מרכז של אוניברסיטת מישיגן על אפיון חומרים, (MC)2, עבור סיועו עם XPS והמעבדה אוניברסיטת מישיגן ואן Vlack עבור XRD. כן נרצה להודות תומאס Kratofil לסיוע שלו עם צובר חומרי הכנה.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics