ns-PLD (@248 nm) in HV o atmosfera controllata

ns-PLD (@ 248 nm) in HV o atmosfera controllata

Gaspare Varvaro - gaspare.varvaro@ism.cnr.it

Laboratorio Materiali Magnetici Nanostrutturati (nM2-Lab)

Sede di Roma - Monterotondo

La Pulsed Laser Deposition (PLD) é una tecnica di deposizione di film e multistrati che prevede l'utilizzo del laser come fonte d'energia. Si basa su processi fisici che sorgono in seguito all'impatto di una radiazione laser ad impulsi altamente energetici (ca. 109 W/cm²) sulla superficie di un target in genere solido. L'impatto produce la rimozione di materiale dalla zona irradiata, con formazione di un plasma alla temperatura di circa 10000 K, visibile come una piuma luminosa.Il plasma è costituito da specie quali ioni, molecole e piccoli clusters,altamente energetici (la loro velocità va, a seconda dell'energia, da 100 a1000 km/s) che vanno a depositarsi sul substrato, formando un film di spessore variabile. L'impianto consiste in una sorgente laser ad eccimeri esterna e due camere da vuoto contenenti ciascuna gli elementi fondamentali (il sistema porta-target, il porta-campione con riscaldatore, un sistema di pompaggio da alto vuoto), due set di componenti ottiche indipendenti per focalizzare il laser sulla superficie del target nelle due camere, un pannello di controllo. L'indipendenza del sistema da vuoto dalla sorgente laser fa della PLD una tecnica così flessibile da renderla facilmente adattabile adifferenti condizioni operative a seconda del materiale che si intende depositare.

SPECIFICHE TECNICHE

Laser ad eccimeri KrF (248 nm) LPX 105-Lambda Physik; potenza: 19 - 26 KV; frequenza: 2 - 15 Hz; durata impulso: 17 ns
2 camere di deposizione da alto vuoto (DC-1, DC-2)
Sistema pompaggio (pompa rotativa e turbo-molecolare, P > 10^-8mbar) e load-lock per caricamento campioni (DC-2)
Distanza substrato variabile
Sistemi multi-target per deposizioni di materiali differenti (DC-1: max 4, DC-2: max 8)
Temperatura substrato: 25 - 800°C
Porta-substrato rotante e inclinabile (DC-2)
Valvola ingresso gas: Ar, N₂, O₂, He

TECNICHE DISPONIBILI

Crescita di film di metalli e leghe in alto vuoto e/o atmosfera controllata e a temperatura variabile.
Crescita di film di ossidi a partire da target ceramici o metallici in atmosfera controllata di O₂.
Trattamenti termici post deposizione in alto vuoto o atmosfera controllata fino ad una temperatura massima di 800°C

CAMPIONI

Film sottili, di spessore variabile nell'intervallo 2nm - 2µm. Dimensione massima substrato: 1.5 x1.5 cm² (DC-1), 3.5 x3.5 cm² o Φ = 5 cm (DC-2). Dimensione massima area con spessore omogeneo: 5x5 mm2(DC-1), 3.5 x3.5 cm² o Φ= 2 cm (DC-2)
Nel caso i target non siano disponibili in commercio è possibile produrre e/o utilizzare target provenienti da polveri appositamente sintetizzate in laboratorio.

UTILIZZATO PER

Crescita di film magnetici e non magnetici (metalli, ossidi, leghe) a singolo strato o in forma di multistrati di interesse per studi fondamentali e applicazioni quali la biomedicina, la sensoristica e l'immagazzinamento dell'informazione.
Trattamenti termici per transizioni morfologiche e/o strutturali.

ESEMPI APPLICATIVI

Film orientati di CoFe

La peculiarità di questa tecnica di crescita, grazie all'alta energia delle specie provenienti dal processo di ablazione, ha consentito di ottenere film della lega magnetica CoFe con un'elevata qualità cristallografica anche a bassa temperatura di deposizione (T < 150°C), di interesse in vari settori tra cui la sensoristica, l'immagazzinamento dell'informazione e la nano/micro elettro-meccanica. Le caratteristiche strutturali, evidenziate tramite misure di XRD e HRTEM, hanno permesso di correlare l'orientazione cristallografica con la temperatura del substrato, attraverso lo sviluppo di un modello di crescita che tiene conto degli aspetti termodinamici e cinetici caratteristici del processo di deposizione. La caratterizzazione magnetica dei film, effettuata mediante magnetometro VSM vettoriale, ha dimostrato una perfetta correlazione tra le direzioni cristallografiche, nei due campioni, e gli assi di anisotropia magneto-cristallina.

Si veda: G. Varvaro, et al. ACS Applied Materials and Interfaces 7, 22341 (2015)

Crescita di film di CoO a partire da target metallico in atmosfera controllata

Attraverso una deposizione a 400°C in atmosfera controllata di O₂ è stato possibile crescere film sottili di ossido di cobalto (CoO) di alta qualità in termini di composizione chimica, ordine strutturale e rugosità superficiale. Queste caratteristiche rendono tali film adatti a studi fondamentali di accoppiamento magnetico di scambio all'interfaccia, dove le proprietà strutturali e microstrutturali influenzano in modo sostanziale le proprietà magnetiche dei sistemi. Variando i parametri di crescita, in particolare temperatura del substrato e pressione di O₂, è possibile variare drasticamente la stechiometria e le proprietà strutturali dei campioni, dimostrando la grande versatilità della tecnica.

Si veda: S. Laureti et al., Applied Surface Science 254, 5111 (2008)

Studio della crescita di film di Pt su MgO (100) in funzione dei parametri di deposizione

Lo studio sulla crescita di film sottili di Pt in funzione dei parametri di crescita (temperatura del substrato, fluenza e durata del processo) è stato condotto con lo scopo di trovare le migliori condizioni sperimentali per avere una crescita controllata in termini di orientazione cristallografica, dimensione dei grani, rugosità.L'utilizzo di underlayer metallici in applicazioni ICT presuppone infatti un elevato controllo sulla qualità morfologica e strutturale dei film; la versatilità della tecnica e la possibilità di variare un elevato numero di parametri ha permesso di identificare i diversi meccanismi di crescita del Pt su MgO (100) edi correlare i parametri di processo con le proprietà morfo-strutturali dei campioni.

Si veda: G. Scavia et. al, The Journal of Physical Chemistry B110, 5529 (2006)

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