Pulsed Laser Deposition (PLD) Εναπόθεση υμενίων με παλμικό λέιζερ Εύη Παπαδοπούλου Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, ΙΤΕ

Τεχνική εναπόθεσης λεπτών υμενίων. Γιατί χρειαζόμαστε λεπτά υμένια; Εφαρμογές στην μικροηλεκτρονική, νανοτεχνολογία, ιατρική κτλ Φωτοβολταϊκά, μαγνητικές κάρτες, οθόνες, καθρέπτες, φακοί, οπτικές ίνες κ.α.

Διάφορες μέθοδοι εναπόθεσης: χημικές ή φυσικές. Χημικές μέθοδοι εναπόθεσης Στην περίπτωση αυτή ένα πρόδρομο υγρό (precursor) αντιδρά χημικά πάνω στην στερεή επιφάνεια, αφήνοντας ένα επίπεδο στρώμα. Φυσικές μέθοδοι εναπόθεσης Η εναπόθεση γίνεται με την βοήθεια μηχανικής ή θερμοδυναμικής μεθόδου. Οι περισσότερες φυσικές μέθοδοι εναπόθεσης βασίζονται κυρίως στην μεταφορά και την συμπύκνωση των ατμών του υλικού πάνω σε διάφορες επιφάνειες. Κατά την διαδικασία αυτή, δεν συμβαίνει καμία χημική αντίδραση, απλά αλλάζει η φάση του υλικού.  Physical Vapor Deposition Κενό χρειαζόμαστε για την ελαχιστοποίηση των σκεδάσεων.

Κάποιοι βασικοί τρόποι εναπόθεσης με φυσικές μεθόδους είναι οι ακόλουθοι: Θερμική Εξάχνωση ( Thermal Evaporation): μία ηλεκτρική αντίσταση θερμαίνει το υλικό πάνω από το σημείο ζέσεώς του, στέλνοντας άτομα ή μόρια στο υπόστρωμα. Electron Beam Physical Vapor Deposition: το υλικό θερμαίνεται σε σημείο που να αυξάνεται η πίεση των ατμών του, με βομβαρδισμό δέσμης ηλεκτρονίων. Sputtering (Καθοδική Διασκόπηση): δημιουργείται ηλεκτρική εκκένωση πλάσματος, το οποίο αποξύνει από την επιφάνεια του υλικού άτομα. Cathodic Arc Deposition: ηλεκτρικό τόξο υψηλής ισχύος κατευθύνεται στον στόχο (κάθοδος), εκτοξεύοντας υλικό υπό μορφή ατμών. Pulsed Laser Deposition (PLD)

Άλλες μέθοδοι εναπόθεσης: Molecular Beam Epitaxy (Μοριακή Επιταξία Δέσμης): αργό ρεύμα του στοιχείου κατευθύνεται προς το υπόστρωμα, και το υλικό εναποτίθεται με αργό ρυθμό, ένα ατομικό στρώμα την φορά. Υλικά όπως π.χ. το GaAs εναποτίθενται με επαναλαμβανόμενη εφαρμογή πρώτα του ενός στοιχείου και μετά του άλλου. Η δέσμη του υλικού μπορεί να δημιουργηθεί είτε με φυσικό τρόπο, είτε με χημικό. Spin Coating: μία ποσότητα του υλικού που θέλουμε να εναποθέσουμε τοποθετείται πάνω στο υπόστρωμα, το οποίο στην συνέχεια περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα ώστε το υγρό να εξαπλωθεί στο υπόστρωμα από την φυγόκεντρο δύναμη.

Pulsed Laser Deposition Πλεονεκτήματα: Απλή τεχνική (ένα λέιζερ αλληλεπιδρά με το υλικό, το εξαχνώνει δημιουργώντας ένα υμένιο που έχει την στοιχειομετρία του στόχου). Ευέλικτη: σχεδόν όλα τα μέταλλα και κεραμικά μπορούν να εναποτεθούν με την μέθοδο αυτή. Επίσης, πολυμερή, βιολογικά υλικά. Οικονομική Γρήγορη Μειονεκτήματα: Μεγάλη τραχύτητα των υμενίων και παρουσία σωματιδίων στην επιφάνειά τους. Ομοιομορφία σε μικρή επιφάνεια. Εξοπλισμός: Λέιζερ, Οπτικά (φακοί, καθρέπτες), Θάλαμος υψηλού κενού, Αντλίες κενού

Πολυπλοκότητα των διεργασιών κατά την αλληλεπίδραση λέιζερ - ύλης Αρχική απορρόφηση της ακτινοβολίας, τήξη, αρχίζει η εξάχνωση Το λιωμένο υλικό εξαπλώνεται μέσα στο υλικό, συνεχίζεται η εξάχνωση, ενώ η αλληλεπίδραση plume-λέιζερ γίνεται σημαντική. Απορρόφηση της ακτινοβολίας του λέιζερ από το plume, σχηματισμός του πλάσματος Το λιωμένο υλικό υποχωρεί, οδηγώντας στην εκ νέου στερεοποίηση της επιφάνειας του υλικού.

Βασικοί παράμετροι που επηρεάζουν την εναπόθεση: Η θερμοκρασία του υποστρώματος Το υπόστρωμα Η κινητική ενέργεια των στοιχείων του plume Η κινητική ενέργεια των στοιχείων του plume, επηρεάζεται από: Το μήκος κύματος του λέιζερ Την ενέργεια και την διάρκεια του παλμού του λέιζερ Την πίεση και τον τύπο του αντιδρώντος αερίου Laser: KrF excimer laser, 248 nm, 34 ns pulse duration, 600 mJ/pulse maximum. Repetition rate: max 100 Hz

La0.6Ca0.4CoO3-δ La+ κενό La0.6Ca0.4CoO3-δ La+ 0.6mbar O2

Δομικός χαρακτηρισμός – Περίθλαση ακτίνων Χ 5x10-3 mbar O2 5x10-4 mbar O2 5x10-5 mbar O2 SrCu2O2, 300ºC

Ηλεκτρονικό Μικροσκοπία Σάρωσης - Scanning Electron Microscopy TiO2, 5x10-2 mbar O2, 650ºC 2J/cm2 3J/cm2 4J/cm2

Ιδιότητες Διαβροχής QD10 QD14 CA=86º CA=106º