成像激光等离子体的物种

激光产生的等离子体被用于沉积薄膜的材料控制化学计量学和结晶性质如铁磁质、铁电体、高温超导体。优化的关键增长这样的电影是基本过程的理解发生在等离子体羽从最初的激光与目标交互,等离子体羽流的演化和熔化的材料的沉积和生长基质。加剧了ICCD相机是一个宝贵的工具,在羽毛进化的物种的分析。注意了这样一群保罗谢勒研究所,瑞士,致力于多铁性材料,使用的是ICCD (Andor-iStar)图像这样的等离子体在集成和时间研究解决。

介绍

图1:一个顶级的特高压室与目标中心。脉冲激光产生的等离子体羽流指向质谱仪。一个窗口垂直于等离子体膨胀允许通过光学方法进行调查。透镜系统映像等离子体通过acousto-optical可协调的过滤到一个高速ICCD。

多铁性材料展览同时在相同的几个阶段ferroic属性如铁磁性,铁电性和铁弹性。他们非常有前途的未来应用程序在计算或传感系统。bob综合app官网登录这些材料可以让新的数字存储设备的设计,结合长寿命的优点磁存储和简单的可访问性和健壮性的电子存储技术。然而,这样的材料结合这些属性是稀缺的。

对于许多应用程序需bob综合app官网登录要生产这些材料以薄膜的形式。同时,这种方式有其自己的挑战,薄膜生长等参数引入了新的应变可允许调优的材料属性,从而更好地适应多铁性的特定应用程序。bob综合app官网登录帮助这些材料的控制和有针对性的增长,该集团使用光学发射光谱和时间分辨成像研究脉冲激光沉积(骑士)过程中等离子体。

材料和方法

脉冲激光沉积(骑士)是一个非常强大的技术蒸发材料(金属或陶瓷)在真空或通过创建一个背景大气等离子体。物种从等离子体云凝结的衬底薄膜的生长。骑士是用于种植在这项研究中使用的薄膜。一个有前途的多铁性材料,LuMnO3(镏锰氧化物),有一个斜方晶体结构。然而亚稳斜方晶系的结构和consequebtly并不容易合成散装形式研究其电和磁性。准备一个薄膜是一种获得高质量稳定的材料使用正确的晶体结构,尽管这并不容易实现。

几个Lu-containing目标是用来调查LuMnO3的骑士沉积,尤其着重于陆等离子体的属性的物种。Lu-containing目标研究包括:1)陆金属圆盘的目标,2)陶瓷Lu2O3盘目标,和iii)一个圆柱形陶瓷hexagonal-LuMnO3的目标。KrF准分子激光器在波长248 nm的重复率8赫兹用激光影响~ 3.5 J / cm²用于切除的目标。激光束聚焦光斑尺寸的~ 1.7毫米²使用成像9 x 9毫米²面具。背景压力不同于真空(1 x可mbar) 1.5 x三分和5 x mbar 10使用一氧化二氮和O2背景气体。

等离子体成像进行使用和或索利斯软件和一个USB ICCD相机(iStar DH334T-18F-03)耦合到一个acousto-optical可协调的过滤或AOTF (Brimrose VA210 40 - 0.65 H)在400 - 650海里的波长范围。波长分辨率可能是~ 0.8纳米波长越短,在650 nm ~ 2.1海里。特定的相机设置门控,帧重复率和延迟时间的相关部分给出下面的讨论。为了形象整个等离子体(4厘米),包括目标和质谱仪喷嘴,尼克尔(28 - 300毫米)镜头使用。这是放置在距离550 mm的等离子体和集~ 200 mm焦距。

时间和空间解决光学发射测量补充与质谱法测量来确定等离子体成分或物种,这些物种各自的动能。,质谱和等离子体成像迅速从相同的触发光电二极管放置在激光束路径,确保准确的同步测量(见图1),等离子体辐射测量作为时间的函数,空间和波长。陆和罗线之间的相对强度的变化随着时间的推移有截然不同的行为当比较真空条件与背景气体氧化。虽然最初的扩张的等离子体对所有背景条件相似的物种,在后来时候之间的交互行为改变物种从目标和背景气体占据主导地位。一个氧化背景气体的相对强度增加有利于氧化物种从质谱同意与观察。

等离子体成像

等离子体成像,整个等离子体被拍到与一个特定的滤波器,选择了一个狭窄的波长带通,理想情况下单一波长。门的宽度10μs被用来捕获时间的累积强度等离子体存在。陆的排放目标499海里(从陆我物种)和518.5 nm(从罗物种如图2所示分别为(a)和(b)。相比,这是一个光学照片显示在右边的图(c),这些数据的集成空间扩张这些物种可以研究。陆而激动的物种似乎达到了质谱仪(和相应的底物的位置),兴奋的强度罗物种在这个位置严重减少。这是由质谱测量的数字确认罗到达衬底的立场比陆~小100倍。

介绍了氮氧化物(一氧化二氮)作为活性背景气体提高创建所需的金属氧化物物种形成斜方晶系的LuMnO3;这些物种形成的化学反应发生在等离子体云。金属氧化物物种的数量增加观察作为背景压力的函数。

观察到,陆兴奋和罗物种的分布的等离子体的压力5 x10-2 mbar一氧化二氮的背景,观察真空相比是截然不同的。陆兴奋我物种的分布如图3所示(a)(红色),显著减少其强度已经明显的中间目标和质谱仪的位置(考虑到等离子体羽扩张)。相比之下排放从罗物种显然更强的兴奋与目标距离增加,如图3所示(b)(绿色)。这是由于等离子体的大幅减少平均自由程物种在这个压力导致增加碰撞。这将导致化学活动增加和创造更多的罗物种进一步远离目标。这些碰撞也有助于re-excitation罗,从而增强这些兴奋的物种的有效生命周期;这是观察作为一个半月形分布面积与陆我物种(参见图3 (b))。比较图3中云罗的程度与等离子体的程度(b) 3 (c)的光学图像,显示区域相吻合得相当好。

进一步的信息过程发生在等离子体可以通过时间分辨测量。一系列的测量与gatewidth被减少到50 ns和帧之间的门延迟变化在90 ns的步骤中,共有30帧被收购;每个系列的框架由50重复注射集成芯片(IOC)。选择不同种类的框架,从不同的三个不同的并购背景气体条件下,如图4所示。陆的图像比较我和罗的三个背景,图的是“真空”,中间是一氧化二氮压力为1.5 x10-3 mbar,和底部的一氧化二氮压5 x10-2 mbar。高压气体的强度远远大于其他两个用于比较的尺度,中间图像扩大x10的一个因素。明亮的水平线在前每组的图像是由于内部反射镜(参考镜头光晕效果明亮的点光源)。

图4:等离子体图像陆我(每一块的第一行)和罗(每一块底下一行)在不同延迟时间三个不同背景条件:a)真空,b) 1.5 x三分mbar一氧化二氮,和c) 5 x mbar 10一氧化二氮。所有测量数据上执行陆的目标。

正如图片的行为发生了巨大的变化与真空的背景压力增加到1.5 x10-3 mbar然后5 x10-2 mbar。在真空中陆我发射的强度比罗强度在整个消融过程预计将从缺乏氧气。罗排放变得相似的强度为中压陆我,甚至比我发射过程中很晚的路。显著的变化发生在最高压力情况下,罗强度超过陆~ 1000 ns后我发射。后期的差异进一步增加等离子体膨胀过程。为后世特别是等离子体物种以一个共同的速度在所谓的冲击波,大多数与背景气体的交互,因此氧化发生。

集成的强度数据的图4显示了从真空中间压力,增加强度的路我和罗罗是观察小增加/陆我比率。在最高压力的强劲增长后观察到罗强度~ 400 ns,最大值出现在1200 -1300纳秒,此时等离子体达到质谱仪;这是符合观察等离子体分布的物种。在最高压力,冲击波的氧化成为占主导地位的过程,会导致强烈的陆金属氧化物种罗和较高的氧化物,经质谱分析。

结论

小组展示的成功使用质谱分析和描述等离子体羽流等离子体成像用于脉冲激光沉积的各种材料。专门为这个数据表明,大多数的罗物种内产生的等离子体的路我物种与背景一氧化二氮气体特别是激震前沿的地区。iStar ICCD相机加上acousto-optical过滤器使等离子体的图像的采集不同种类的利益范围的时间延迟和决议。

确认

这个报告的信息和数据都心存感激收到CW施耐德博士和他的同事们M Bator和T博士Lippert,能源部一般,Villigenψ,瑞士

引用

1. http://www.psi.ch/materials/about-materials-group
2. 利Bator M,施耐德CW, T, Wokaun (2013)。在不同的背景条件下激光诱导等离子体氧化物种。278年应用表面科学,47-51