Metoda depunerii laser pulsate

Metoda depunerii laser pulsate

Metoda de depunere laser pulsata (PLD, Pulsed Laser Deposition) este larg folosita in domeniul producerii de straturi subtiri in particular din materiale si combinatii de materiale care nu pot fi procesate decat cu mari dificultati prin alte metode. Recent, au fost obtinute prin PLD acoperiri de inalta calitate cu o mare varietate de proprietati speciale. Principalul motiv al progresului PLD este acela ca materiale cu o compozitie oricat de complicata se pot transfera pe un substrat fara schimbarea stoichiometriei (ablatie congruenta).

Se poate asigura controlul stoichiometriei materialului din tinta atat in vid cat si in gaze inerte sau reactive. Se pot de asemenea obtine usor multistructuri iar grosimea straturilor poate fi controlata cu o precizie foarte buna (de pana la 10-2A/puls).

Procesul de crestere al stratului subtire prin PLD se desfasoara in patru etape succesive:

1. Actiunea radiatiei laser asupra tintei.

2. Dinamica materialului ablat - expansiunea plasmei.

3. Interactia materialului ablat cu un substrat aflat la o temperatura controlabila.

4. Nucleatia si cresterea stratului pe suprafata colectorului.

Fiecare etapa este importanta pentru monitorizarea parametrilor acoperirilor precum stoichiometria, densitatea, cristalinitatea, uniformitatea si rugozitatea.

In prima etapa, fasciculul laser este focalizat pe suprafata tintei (fig. 1.2.5). Pentru o valoare suficient de mare a intensitatii laser incidente, toate elementele din tinta sunt rapid incalzite peste temperatura lor de evaporare. Aceasta valoare este definita ca prag de ablatie. Rata de ablatie este dependenta de fluenta laser incidenta pe tinta. Mecanismul de ablatie implica mai multe fenomene fizice precum ciocniri, excitari electrice si termice, de exfoliere si hidrodinamice.

In timpul celei de a doua etape materialul expulzat se deplaseaza catre substrat in concordanta cu legile dinamicii gazului si se depune pe suprafata colectorului. Un rol important in geometria depunerii si distributia grosimii acesteia il au marimea si forma spotului, cat si energia speciilor continute in plasma si distanta de separare tinta-colector.

Energia speciilor din plasma si distanta tinta-colector (d) sunt parametrii importanti care determina calitatea acoperirilor. Daca distanta nu este suficient de mare atunci plasma este mult prea energetica si va produce o distributie mare de defecte, chiar distrugerea ("spalarea") structurii depuse. Speciile din plasma care au suficienta energie se condenseaza pe suprafata substratului producand nucleatia si cresterea acoperirii. Acestea depind in mod explicit de mai multi factori: densitatea de energie, gradul de ionizare, natura materialului condensat, temperatura si proprietatile fizico-chimice ale colectorului.

Procesul de nucleatie depinde de energia de interfata dintre cele trei faze in interactiune: substrat, materialul condensat si vapori. Gradul de nucleatie depinde de fortele implicate precum rata de depunere si temperatura substratului. Unei nucleatii rapide ii este caracteristica o supersaturatie redusa. Aceasta creeaza insule de acoperire pe substrat ce cresc secvential si se unesc (proces cunoscut sub numele de coalescenta). Cand supersaturatia creste, nucleul critic se micsoreaza pana ce dimensiunea sa ajunge la diametrul atomic iar forma sa devine apropiata de cea a unui strat bidimensional. Pentru o valoare mai mare a supersaturatiei in cazul unor substraturi improprii ce nu sunt udate, se produce nucleatie strat cu strat.

Cristalinitatea acoperirilor depinde de mobilitatea atomilor. Initial, atomii difuzeaza in acoperire prin cateva straturi atomice inainte de a-si stabili pozitia in stratul nou format. Temperatura suprafetei substratului are un rol determinant in abilitatea de difuzie a atomilor.

Datorita posibilitatii variatiei independente a unui numar mare de parametrii, PLD este o tehnica versatila de obtinere a straturilor subtiri cu o mare diversitate de caracteristici morfologice si structurale. Toti parametrii pot fi controlati si variati in vederea identificarii regimului optim de obtinere a straturilor subtiri si a multistructurilor.

Cresterea straturilor subtiri prin PLD are numeroase avantaje fata de alte medode:

i) sursa de radiatie laser este exterioara incintei de depunere oferind un mai mare grad de flexibilitate in folosirea materialului, in geometria aranjamentului si ajustarea parametrilor de depunere;

ii) marea majoritate a materialelor solide pot fi ablate laser;

iii) datorita functionarii in pulsuri a laserului, rata de crestere a stratului se poate controla cu un grad mare de precizie (de cateva fractiuni de Å);

iv) cantitatea de material ablata din tinta este localizata numai in volumul plasmei generate sub actiunea pulsului laser;

v) sub conditii optime de depunere stoichiometria stratului depus coincide cu cea a tintei chiar si pentru materiale foarte complexe si cu un grad mare de instabilitate;

vi) energia ridicata a speciilor ablate are ca efect obtinerea unor straturi aderente

vii) se pot obtine specii cu stari electronice diferite de cele de echilibru si faze noi sau metastabile ale materialului.

Parametrii cheie in PLD sunt [11]:

- procesul de ablatie este caracterizat de un prag de fluenta sau prag de ablatie

- pragul de ablatie depinde de compozitia si structura materialului din tinta si de absortia la lungimea de unda laser incidenta

- absortia radiatiei laser induce o crestere foarte mare a temperaturii intr-un timp foarte scurt.

Fig.1.2.5 Montajul general PLD