لایه نشانی با لیزر پالسی

یک شعله از SrRuO₃ پرتاب شده به هدف در مدت فرایند رسوب

رسوب لیزری پالسی یک تکنیک انباشت بخار فیزیکی است که یک تیغه لیزری، پالسی با قدرت زیاد در درون اتاق خلا روی ماده ای که رسوب کرده است، متمرکز می‌شود. این ماده از یک هدف در یک شعله پلاسمایی، که آن را به عنوان یک لایه نازک ته نشین می کند تبخیر شده است.(مثل یک ویفر سیلیکونی که به هدف می خورد) این پروسه می تواند در خلاء فوق-بالا اتفاق بیفتد یا در حضور یک گاز پس زمینه مثل اکسیژن، که معمولاً وقتی اکسید رسوبی کاملاً لایه های رسوبی را اکسیژنه می کند، استفاده می شود. درحالی که جزئیات اولیه نسبت به بسیاری دیگر از تکنیک‌های رسوب گیری ساده تر است، آثار فیزیکی برهمکنش لیزری به نسبت پیچیدگی بالاتری دارد. وقتی پالس لیزر توسط هدف جذب می‌شود ابتدا انرژی به تحریک الکترونیکی و سپس به انرژی گرمایی،شیمیایی و مکانیکی که در نتیجه تبخیر (تصاعد)، فرسایش، تبدیل پلاسمایی و حتی پوسته پوسته سازی است، تبدیل می‌شود.^[۱]

انواع اهداف پرتابشونده که در خلا اطراف شکل یک شعله شامل انواع انرژی زا شامل اتم، مولکول، الکترون، یون، خوشه،ذرات و گلبول های مذاب رسوب شدن معمولاً روی لایه داغ گسترش می یابند.

فرایند[ویرایش]

یک نمای کلی از محفظه رسوب گذاری PLD

مکانیزم های رسوب گذاری پالس لیزری بسیار پیچیده هستند، که شامل پروسه فرسایش ماده، هدف گذاری توسط تراش و پوسته سازی لیزر، ارتقاء شعله پلاسما با یونهای انرژی زایی بالا، الکترون ها مثل نوترون ها و کریستالی شدن غشا روی زیر لایه گرم شده می باشد. این پروسه معمولاً به چهار مرحله تقسیم می‌شود:

جذب لیزر روی سطح هدف و ساییدگی لیزر از ماده هدف و تولید پلاسما
دینامیک پلاسما
رسوبگذاری ماده فرسایش یافته روی زیرلایه
-هسته زایی و رشد غشا روی سطح زیر لایه
هر کدام از این مراحل برای کریستالی شدن(بلوریدگی)، هم شکلی، یکنواختی و استوکیومتری غشایی نهایی ضروری است. پرکاربرد ترین روش برای مدلسازی فرایند رسوب گذاری پالس لیزری تکنیک مونت کارلو (Monte Carlo) می‌باشد.^[۲]

لایه های نازک اکسید با ظرافت لایه اتمی توسط رسوب گذاری پالس لیزری ساخته شده اند. در تصویر لیزر پالسی پرقدرت به یک دیسک سفید از Al₂O_{3 (آلومینا alumina)} اصابت می‌کند. پالس لیزری یک انفجار پلاسمایی که به شکل ابر بنفش قابل مشاهده است تولید می کند. ابر پلاسمایی از آلومینیوم به سمت محدوده حضور زیرلایه ساخته شده SrTiO₃ گسترش می‌یابد که غلیظ و جامد شده و یک لایه اتمی را هر بار شکل می دهد. زیر لایه روی یک صفحه گرمایی قرمز و تابان در درجه °560 سانتی گراد جای می‌گیرد تا کریستالیزه شدن غشای نازک آلومینیومی را بهبود دهد.

فرسایش لیزری ماده هدف گذاری شده و تولید پلاسما[ویرایش]

فرسایش ماده هدف‌گذاری شده توسط پرتو افشانی لیزری و تولید پلاسما فرایندهای بسیار پیچیده‌ای هستند. جداسازی اتم ها از توده مواد، به وسیله تبخیر توده روی سطح پخش، در شرایط غیر تعادلی انجام میشود. در این حال پالس تصادفی لیزر به اندازه عمق نفوذ در سطح ماده نفوذ می‌کند. اندازه عمق نفوذ به طول موج لیزر و شاخص شکست و انحراف ماده هدف گذاری در طول موج لیزر اعمال شده، بستگی دارد و معمولاً برای بیشتر مواد در محدوده 10nm می‌باشد. میدان الکتریکی قوی‌ای که توسط نور لیزر تولید شده به اندازه کافی برای برداشتن الکترونها از توده مواد جسم، قوی می‌باشد. این فرایند در محدوده 10ps از پالس لیزر ns اتفاق می افتد و توسط فرایندهای غیر خطی شامل یونیزاسیون فوتون چندگانه که توسط شکاف های میکروسکوپی سطحی، برون ریزی و برآمدگی ها بهسازی می شود، ناشی می‌شوند که میدان الکتریکی را افزایش می‌دهد. الکترون های آزاد در درون میدان الکترومغناطیسی نور لیزر، نوسان می‌کنند و با اتمهای توده مواد برخورد می کنند در نتیجه بخشی از انرژی شان را به شبکه مواد هدف گذاری درون محدوده سطحی منتقل می کنند. بنابراین سطح هدف گرم می شود و ماده تبخیر می شود.^[۳]

دینامیک پلاسما[ویرایش]

در مرحله دوم ماده در یک پلاسما به موازات خط سیر معمول است، هدف به سمت زیرلایه در نتیجه دافعه کولنی، سطح هدف گسترش می‌یابد. پراکندگی فضایی شعله بستگی به فشار پس‌زمینه داخل محفظه PLD دارد. چگالی شعله با قانون $\cos ^{n}(x)$ شکلی شبیه به منحنی گاوس توصیف می کند. تابع شکل شعله روی فشار در سه مرحله توصیف می‌شود:

مرحله خلا، که شعله خیلی باریک و در جهت مستقیم است. تقریباً هیچ پراکندگی با گاز پس زمینه اتفاق نمی‌افتد.
محدوده میانی که یک شکاف از یونهای با انرژی زیاد از انواع با انرژی کم جذب شده را مشاهده میکنیم. اطلاعات زمان پرواز می‌تواند با یک مدل موج ضربه‌ای شبیه سازی کرد، هرچند این کار با مدل‌های دیگر نیز ممکن است.
محدوده فشار بالا که ما گسترش نشت مانند بیشتری از ماده فرسایش پیدا می‌کنیم. معمولاً این پراکندگی همچنین بستگی به مقدار گاز پس زمینه دارد و می‌تواند استوکیومتری غشای رسوبی را تحت تاثیر قرار دهد.

مهم‌ترین نتیجه افزایش فشار پس زمینه کاهش گونه‌های با انرژی بالا در شعله پلاسمایی گسترده شده است. این نشان می دهد که ذرات با انرژی جنبشی حدود 50ev می‌توانند غشاء را در قبال رسوب گذاری روی زیر لایه بیرون بیندازند. این باعث نرخ رسوب گذاری کمتر می شود، همچنین می تواند باعث یک تغییر در استکیومتری غشا شود.^[۴]

رسوبگذاری ماده فرسایش یافته روی زیرلایه[ویرایش]

نمونه ای از یک مجموعه آزمایشی مورد استفاده برای سنتز PLD

این مرحله برای مشخص نمودن کیفیت غشای تشکیل شده پر اهمیت می‌باشد. ذرات پرانرژی منتشر شده از هدف، سطح مورد نظر را بمباران می‌کنند. این برخورد می‌تواند منجر به ایجاد نواقصی در سطح غشا شود.^[۵] گونه های پراکنده شده از بستر و ذرات ساطع شده از هدف ، منطقه‌ای با تعداد برخورد بیشتر نسبت به مناطق دیگر تشکیل می دهند، که به عنوان منبع تراکم ذرات شناخته می‌شود. زمانی که سرعت چگالش ذرات به حد مشخصی برسد، میتوان به شرایط تعادل گرمایی رسید و غشا در جریان فرسایش ذرات و تعادل گرمایی رشد خواهد کرد.

هسته زایی و رشد غشا روی سطح زیر لایه[ویرایش]

روند هسته زایی و رشد غشا به چندین پارامتر بستگی دارد که عبارتند از:

پارامتر های لیزر: ویژگی هایی مانند تمرکز لیزر( برحسب ژول بر سانتی متر مربع)، انرژی لیزر و درجه یونیزه شدن ماده مصرف شده در لیزر که بر کیفیت غشای تشکیل شده تاثیرگذار است،^[۶]و شار رسوب. در حالت کلی، چگالی هسته با افزایش شار رسوب افزایش می یابد.
دمای سطح: دمای سطح تاثیر زیادی بر تراکم هسته دارد. به صورت کلی، افزایش دما، موجب کاهش چگالی هسته می شود.^[۷] گرم شدن سطح می تواند توسط صفحه گرمایشی یا با استفاده از لیزر CO2 ایجاد شود.^[۸]
سطح زیرلایه: هسته زایی و رشد غشا میتوانند تحت تاثیر سطح زیرلایه(مانند حکاکی شیمیایی^[۹])،غلظت بستر زیرلایه و همچنین ناهمواری های زیرلایه قرار بگیرند.
فشار زمینه ای: معمولاً در رسوبات اکسیژنی، برای اطمینان از انتقال استوکیومتری از هدف به غشا، زمینه اکسیژن لازم است. عنوان مثال، اگر زمینه اکسیژن کم باشد، غشا از استوکیومتری‌ای رشد خواهد کرد که بر تراکم هسته و کیفیت غشای تشکیل شده تأثیر می گذارد. ^[۱۰]

منابع[ویرایش]

↑ Pulsed Laser Deposition of Thin Films, edited by Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler, John Wiley & Sons, 1994.
↑ Rashidian Vaziri, M. R.; Hajiesmaeilbaigi, F.; Maleki, M. H. (2011-08). "Monte Carlo simulation of the subsurface growth mode during pulsed laser deposition". Journal of Applied Physics (به انگلیسی). 110 (4): 043304–043304. doi:10.1063/1.3624768. ISSN 0021-8979. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
↑ Introduction To Nanoscience And Nenotechnology By Chattopadhyay, Chattopadhyay K. K., banerjee. کاراکتر line feed character در |عنوان= در موقعیت 47 (کمک)
↑ "Pulsed laser deposition - Wikipedia". en.m.wikipedia.org (به انگلیسی). Retrieved 2021-01-27.
↑ Rashidian Vaziri, M. R.; Hajiesmaeilbaigi, F.; Maleki, M. H. (2010-10). "Microscopic description of the thermalization process during pulsed laser deposition of aluminium in the presence of argon background gas". Journal of Physics D Applied Physics (به انگلیسی). 43 (42): 425205. doi:10.1088/0022-3727/43/42/425205. ISSN 0022-3727. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
↑ Ohnishi, Tsuyoshi; Shibuya, Keisuke; Yamamoto, Takahisa; Lippmaa, Mikk (2008-05). "Defects and transport in complex oxide thin films". Journal of Applied Physics (به انگلیسی). 103 (10): 103703–103703. doi:10.1063/1.2921972. ISSN 0021-8979. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
↑ Ferguson, J. D.; Arikan, G.; Dale, D. S.; Woll, A. R.; Brock, J. D. (2009-12-18). "Measurements of Surface Diffusivity and Coarsening during Pulsed Laser Deposition". Physical Review Letters. 103 (25): 256103. doi:10.1103/PhysRevLett.103.256103.
↑ May-Smith, T. C.; Muir, A. C.; Darby, M. S. B.; Eason, R. W. (2008-04-10). "Design and performance of a ZnSe tetra-prism for homogeneous substrate heating using a CO2 laser for pulsed laser deposition experiments". Applied Optics (به انگلیسی). 47 (11): 1767–1780. doi:10.1364/AO.47.001767. ISSN 2155-3165.
↑ Koster, Gertjan; Kropman, Boike L.; Rijnders, Guus J. H. M.; Blank, Dave H. A.; Rogalla, Horst (1998-11). "Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide". Applied Physics Letters (به انگلیسی). 73 (20): 2920. doi:10.1063/1.122630. ISSN 0003-6951. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
↑ Ohtomo, A.; Hwang, H. Y. (2007-10-15). "Growth mode control of the free carrier density in SrTiO3−δ films". Journal of Applied Physics. 102 (8): 083704. doi:10.1063/1.2798385. ISSN 0021-8979.

[1] Pulsed Laser Deposition of Thin Films, edited by Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler, John Wiley & Sons, 1994.

[2] Rashidian Vaziri, M. R.; Hajiesmaeilbaigi, F.; Maleki, M. H. (2011-08). "Monte Carlo simulation of the subsurface growth mode during pulsed laser deposition". Journal of Applied Physics (به انگلیسی). 110 (4): 043304–043304. doi:10.1063/1.3624768. ISSN 0021-8979. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[3] Introduction To Nanoscience And Nenotechnology By Chattopadhyay, Chattopadhyay K. K., banerjee. کاراکتر line feed character در |عنوان= در موقعیت 47 (کمک)

[4] "Pulsed laser deposition - Wikipedia". en.m.wikipedia.org (به انگلیسی). Retrieved 2021-01-27.

[5] Rashidian Vaziri, M. R.; Hajiesmaeilbaigi, F.; Maleki, M. H. (2010-10). "Microscopic description of the thermalization process during pulsed laser deposition of aluminium in the presence of argon background gas". Journal of Physics D Applied Physics (به انگلیسی). 43 (42): 425205. doi:10.1088/0022-3727/43/42/425205. ISSN 0022-3727. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[6] Ohnishi, Tsuyoshi; Shibuya, Keisuke; Yamamoto, Takahisa; Lippmaa, Mikk (2008-05). "Defects and transport in complex oxide thin films". Journal of Applied Physics (به انگلیسی). 103 (10): 103703–103703. doi:10.1063/1.2921972. ISSN 0021-8979. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[7] Ferguson, J. D.; Arikan, G.; Dale, D. S.; Woll, A. R.; Brock, J. D. (2009-12-18). "Measurements of Surface Diffusivity and Coarsening during Pulsed Laser Deposition". Physical Review Letters. 103 (25): 256103. doi:10.1103/PhysRevLett.103.256103.

[8] May-Smith, T. C.; Muir, A. C.; Darby, M. S. B.; Eason, R. W. (2008-04-10). "Design and performance of a ZnSe tetra-prism for homogeneous substrate heating using a CO2 laser for pulsed laser deposition experiments". Applied Optics (به انگلیسی). 47 (11): 1767–1780. doi:10.1364/AO.47.001767. ISSN 2155-3165.

[9] Koster, Gertjan; Kropman, Boike L.; Rijnders, Guus J. H. M.; Blank, Dave H. A.; Rogalla, Horst (1998-11). "Quasi-ideal strontium titanate crystal surfaces through formation of strontium hydroxide". Applied Physics Letters (به انگلیسی). 73 (20): 2920. doi:10.1063/1.122630. ISSN 0003-6951. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)

[10] Ohtomo, A.; Hwang, H. Y. (2007-10-15). "Growth mode control of the free carrier density in SrTiO3−δ films". Journal of Applied Physics. 102 (8): 083704. doi:10.1063/1.2798385. ISSN 0021-8979.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]