Search

Laserablaatiomenetelmä (PLD - Pulsed Laser Deposition) on tehokas tapa valmistaa ohutkalvoja erityyppisistä materiaaleista. Tässä menetelmässä suuritehoiset laserpulssit vuorovaikuttavat kohtiomateriaalin pintakerroksen kanssa, ja riittävän suuri lasersäteen energiatiheys saa aikaan hiukkasten irtoamisen pinnasta. Irronneet hiukkaset kerääntyvät kohtiota vastapäätä olevalle kasvatusalustalle. Stoikiometrian säilyminen kasvatusprosessissa edellyttää, että laserpulsseilla on homogeeninen ja jyrkkäreunainen intensiteettijakauma. PLD-sovelluksissa tyypillisten eksimeerilaserien säteellä ei kuitenkaan yleensä ole tällaista "flat-top"-tyyppistä poikkileikkausta. Lisäksi jakauman muoto voi vaihdella pulssista toiseen. Tämän vuoksi tarvitaan lasersäteen muokkausta ja homogenisointia. Tämän työn tarkoituksena on liittää diffraktiivisiin hiloihin perustuva säteenmuokkausjärjestelmä TKK:n laserlaboratorion PLD-laitteistoon ja osoittaa sen toimivuus ohutkalvojen kasvatuksessa. Työssä käytettävät diffraktiiviset elementit on suunniteltu muuttamaan lasersäde 1,5x4,5 mm2:n kokoiseksi "flat-top" jakaumaksi polttoväliltään 500 mm:n linssin polttotasossa. Menetelmän toimivuus on osoitettu käytännössä aikaisemmissa kokeissa. Ferromagneettinen muistimetalliyhdiste Ni-Mn-Ga valittiin ohutkalvomateriaaliksi tämän työn kokeisiin, koska tutkimusryhmällämme on aiempaa kokemusta Ni-Mn-Ga-kalvojen kasvattamisesta ja karakterisoinnista. Muistimetallimateriaalit pystyvät muuttamaan palautuvasti kokoaan ja muotoaan jopa 10 % ulkoisessa magneettikentässä. Tämä mahdollistaa uudentyyppisten toimilaitteiden ja anturien toteuttamisen. Diffraktiivisten elementtien tuottama jakauma optimoitiin ennen kuin tutkittua säteenmuokkausmenetelmää sovellettiin käytännössä. Ni-Mn-Ga-ohutkalvoja, joista osaan seostettiin rautaa, kasvatettiin Si-, Al2O3-ja MgO-kasvatusalustoille, mutta vain Al2O3:11e kasvatetut kalvot olivat ferromagneettisia. Lasersäteen pieni energiatiheys kohtion pinnalla selittää osaltaan ferr

Tämä diplomityö on osa korkean lämpötilan suprajohtaviin (HTS) materiaaleihin perustuvien elektroniikan komponenttien tutkimusprojektia. Komponenttisovelluksissa HTS-materiaalien, kuten YBa_(2)Cu_(3)O_(7-delta) :n (YBCO), on oltava ohutkalvojen muodossa. Kalvojen kasvattamista varten on rakennettu laserablaatiolaitteisto, jonka jatkokehitykseen tämä työ liittyy. Laserablaatiossa käytetään suuritehoisia laserpulsseja höyrystämään hiukkasia kohtiomateriaalin pinnasta siten, että aineen stoikiometria säilyy vuorovaikutuksessa. Irronneet hiukkaset kerrostuvat kasvatusalustan eli substraatin pintaan ohueksi kalvoksi, jonka pinta-ala määräytyy hiukkaspurkauksen koon perusteella. Tyypillisesti kalvon pinta-ala on noin 1 cm[2], mutta monissa sovelluksissa suuremmasta kalvokoosta olisi huomattavaa etua. Lisäksi pinta-alan suurentaminen mahdollistaisi usean ohutkalvon kasvattamisen kerralla. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia ja kehittää erilaisia menetelmiä, joiden avulla pystytään suurentamaan kasvatettavan alueen kokoa. Ablaatiolaitteiston perusrakenne mahdollistaa tämän, mutta hiukkaspurkauksen kapeuden vuoksi tehtävä on varsin haastava. Tutkittuihin tekniikoihin kuuluivat kohtion ja substraatin välisen etäisyyden pidentäminen, hiukkaspurkauksen pyyhkäiseminen substraattilevyn yli sekä purkauksen suuntaaminen levyn pyörimiskeskipisteen viereen. Menetelmien soveltuvuutta selvitettiin kasvattamalla YBCO-kalvoja 10x10 mm[2]:n LaA1O_(3)-substraateille, joita oli kiinnitetty eri puolille pyörivää kasvatuslevyä. Kalvoja vertailtiin keskenään mittaamalla niiden kriittinen lämpötila, pinnan tasaisuus sekä radiaalisuuntainen paksuusprofiili. Tehokkaimmaksi tavaksi suurentaa kasvatettujen ohutkalvojen pinta-alaa osoittautui nykyistä suuremman kohtion ja substraatin välisen etäisyyden käyttäminen (100 mm). Tällä tekniikalla kasvatetut kalvot olivat tasaisia - rms karheus 3-4 nm - eikä pinnassa ollut havaittavissa juuri lainkaan epäpuhtauksia tai roiskeita. Kalvojen kriittinen lämpö

Työn tarkoitus on rakentaa laserablaatiolaitteisto ohutkalvojen kasvatukseen, saattaa se toimintakuntoon ja demonstroida järjestelmän toiminta. Työssä kuvataan laitteiston rakenne, perustellaan tekniset ratkaisut ja ehdotetaan jatkossa tehtäviä parannuksia. Lisäksi työssä esitellään korkeassa lämpötilassa suprajohtavat (HTS) materiaalit ja laserablaation periaate sekä tutkitaan ensimmäisten laitteistolla kasvatettujen ohutkalvojen ominaisuuksia. Laserablaatio tarkoittaa aineen nopeaa höyrystämistä voimakkaan laserpulssin avulla. Tätä tekniikkaa voidaan soveltaa myös ohutkalvojen kasvatukseen jopa useista alkuaineista koostuvista, kiderakenteeltaan monimutkaisista materiaaleista. Viimeisten kymmenen vuoden aikana laserablaation tutkimus, kehittäminen ja hyödyntäminen ovat räjähdysmäisesti lisääntyneet. Kiinnostus lähti nousuun, kun vuonna 1987 laserablaation todettiin soveltuvan korkealuokkaisten HTS-ohutkalvojen kasvatukseen. Tunnetuin ja tutkituin HTS-materiaali on Yba_(2)Cu_(3)O_(7-delta) (YBCO). Se on suhteellisen stabiili ja soveltuu hyvin elektroniikan komponenttien valmistamiseen litografisin menetelmin. YBCO on koostumukseltaan yksinkertaisin HTS-materiaali, jonka kriittinen lämpötila on korkeampi kuin nestemäisen typen kiehumispiste, 77 K. Näistä syistä YBCO valittiin myös tämän projektin materiaaliksi. Laserablaatiolaitteisto on rakennettu osana TEKESin rahoittamaa laajempaa projektia, jonka tavoitteena on suunnitella, toteuttaa ja testata HTS-materiaaleihin perustuvia elektroniikan komponentteja. Lukuunottamatta erillisiä laitteita, kuten laser ja pumput, järjestelmän komponentit on pääosin valmistanut turkulainen DCA Instruments Oy. Laitteisto saatettiin toimintakuntoon, minkä jälkeen etsittiin oikeat kasvatusparametrit ja aloitettiin YBCO-ohutkalvojen kasvatus. Tämän työn aikana kasvatettiin 300 nm - 350 nm paksuisia YBCO-ohutkalvoja 10 mm x 10 mm LaAlO_(3)-substraateille. Kalvojen kriittinen lämpötila on 90 K ja kriittinen virta luokkaa 1 MA/cm[2]. Kide