Láser infrarrojo Nd:YAG como alternativa viable al láser excimer: estudio de caso de YBCO

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3882 (2023) Citar este artículo

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Informamos sobre el crecimiento y la caracterización de películas delgadas epitaxiales de óxido complejo YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) y heteroestructuras relacionadas exclusivamente por deposición de láser pulsado (PLD) y utilizando el primer armónico Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) fuente de láser pulsado (\ (\lambda\) = 1064 nm). Las heteroestructuras epitaxiales de película delgada YBCO de alta calidad muestran propiedades superconductoras con una temperatura de transición \(\sim\) 80 K. En comparación con los láseres excimer, cuando se utilizan láseres Nd:YAG, las condiciones óptimas de crecimiento se logran en una gran distancia entre el objetivo y el sustrato. distancia d. Estos resultados demuestran claramente el uso potencial de la primera fuente de láser Nd:YAG armónico como alternativa a los láseres excimer para la comunidad de película delgada PLD. Su compacidad, así como la ausencia de problemas de seguridad relacionados con el gas venenoso, representan un gran avance en la deposición de compuestos complejos de elementos múltiples en forma de películas delgadas.

Las películas delgadas de óxido de perovskita albergan innumerables propiedades en electrónica, magnetismo y óptica simplemente ajustando/dopando los elementos catiónicos, así como el contenido de oxígeno1,2,3,4,5,6. La deposición por láser pulsado (PLD) se ha convertido en una instalación de crecimiento de película delgada de última generación en la comunidad de óxidos después de la exitosa demostración de la transferencia estequiométrica de superconductores YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) O\(_{7-\delta }\) (YBCO) óxido complejo7 por láser excimer KrF de longitud de onda \(\lambda\) = 248 nm. Desde entonces, los láseres excimer KrF han surgido como una herramienta dominante para el crecimiento de películas delgadas de óxido complejo de muy alta calidad8,9,10,11 con aplicaciones que van desde la investigación de materiales fundamentales hasta industrias de fabricación de semiconductores avanzados para dispositivos12,13,14. Sin embargo, surgen severas limitaciones con respecto al uso de láseres excimer en laboratorios PLD en todo el mundo. Los láseres excimer consisten en gran parte en una mezcla de gases nobles (96% Ne, 3,5% de Kr/Ar) y el 0,05% restante pertenece a la mezcla de halógeno (es decir, F/Cl) en He, presente en la cámara de descarga. El uso de láseres excimer a menudo plantea problemas de seguridad (p. ej., presencia de gases altamente venenosos), lo que requiere infraestructuras costosas para permitir su uso. Además, debido al constante aumento de la demanda y la escasez de recursos de gas noble, el costo de la mezcla de gas de premezcla KrF ha aumentado enormemente en los últimos años. En este sentido, para reducir su consumo, las industrias también han incorporado formas de reciclar estos gases y lograron hasta un 85% del índice de reciclaje de gases con una salida de energía láser estable15. Sin embargo, el tiempo de espera para las mezclas de gases de premezcla ha aumentado considerablemente en los últimos años, lo que no solo dificulta el flujo fluido de las actividades diarias, sino que también aumenta enormemente los costos de mantenimiento de los láseres.

Para reducir los costos y los largos tiempos de espera derivados de la falta de disponibilidad de mezclas de gases nobles para los láseres excimer, los científicos de materiales han comenzado a incorporar Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}) de estado sólido. Láseres \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) en el proceso de crecimiento de PLD. El láser Nd:YAG utiliza cristales inorgánicos para la producción de radiación láser de alta energía, por lo que descarta cualquier problema de seguridad relacionado con la presencia de gases venenosos. La frecuencia fundamental del láser Nd:YAG es de 1064 nm en la región infrarroja (IR) del espectro de luz, pero al introducir los generadores de cristales armónicos ópticos, la longitud de onda del láser se puede llevar a la región ultravioleta (UV), es decir, , 266 nm (4º armónico) y 213 nm (5º armónico) imitando las longitudes de onda del láser excimer. Aunque el uso de generadores de armónicos más altos ha permitido el crecimiento exitoso de películas delgadas de óxido16,17,18, limitaciones como una enorme reducción en la energía de salida del láser mediante el uso de generadores de armónicos que se sabe que posiblemente resulten en una ablación incongruente del objetivo19 y falta de homogeneidad en el perfil del rayo láser los han hecho menos atractivos con respecto a los láseres excimer.

Al aprovechar los avances tecnológicos recientes en los láseres Nd:YAG, como la uniformidad en el perfil general del rayo láser20 y la alta estabilidad en la energía del láser, pudimos depositar películas delgadas de óxido complejo estequiométrico de alta calidad utilizando solo sus armónicos fundamentales en 1064 nm. En particular, la mejora significativa en la tecnología láser Nd:YAG ha hecho posible producir películas extremadamente suaves y evitar o minimizar la cantidad de gotas en la superficie de la película. En nuestros trabajos anteriores, hemos demostrado con éxito la utilización de armónicos fundamentales (1064 nm) en el crecimiento de óxidos simples epitaxiales como TiO\(_{2}\)20 y V\(_{2}\)O\( _ {3}\)21,22,23,24. Los experimentos de microscopía de túnel de barrido (STM) y espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES) han indicado la excelente calidad de la superficie de la película delgada creada por el láser Nd:YAG, en comparación con los mismos materiales cultivados por el láser excimer KrF25,26,27,28 . En este documento, presentamos otra aplicación potencial del láser Nd:YAG que opera en sus armónicos fundamentales, a saber, la transferencia estequiométrica de sistemas complejos de perovskita de óxido como YBCO y LaNiO\(_{3}\) (LNO). El uso de este tipo de láser en el crecimiento de óxidos complejos de muy alta calidad representa un gran avance en el proyecto y realización de instalaciones de PLD con costes de mantenimiento muy bajos y problemas de seguridad insignificantes en cuanto a la presencia de gases tóxicos.

El esquema de nuestro sistema PLD que usa una fuente de láser Nd:YAG se muestra en la Fig. 1. A diferencia del láser excimer KrF caracterizado por un gabinete muy grande y pesado (por ejemplo, 1182 \(\times\) 375 \(\times\) 793 mm y 275 kg de peso), el cabezal láser de un láser Nd:YAG se puede colocar justo delante de la ventana de entrada. Tal posibilidad está permitida debido a las dimensiones/peso considerablemente más pequeños de un cabezal láser Nd:YAG típico. Por ejemplo, el cabezal láser del Innolas SpitLight Compact 400 en uso en nuestro laboratorio mide 390 \(\times\) 135 \(\times\) 91 mm ((L \(\times\) W \(\times\) H) de dimensiones para un peso total de unos 10 kg.

Representación esquemática de nuestro sistema PLD equipado con láser Nd:YAG, máscara láser y lente de enfoque (a) (también se muestra la trayectoria típica del láser excimer KrF; otras configuraciones geométricas posibles del posicionamiento del cabezal láser (b y c) .

Su posicionamiento, por lo tanto, no requiere el uso de espejos reflectores para guiar los pulsos láser dentro de la cámara de deposición, permitiendo así cualquier geometría posible como desde arriba o en los planos que se muestran en a, b y c de la Fig. 1, respectivamente. . Además, entonces se permite el uso de toda la energía de salida del láser. La energía de salida del láser se fija en unos 700 mJ con un diámetro de haz de unos 6 mm y una tasa de repetición máxima de 10 Hz. Se pueden obtener fácilmente tasas de repetición más pequeñas regulando la apertura de la cavidad óptica y el número real de disparos de láser por tiempo dado. Es crucial subrayar la estabilidad extremadamente alta en la energía del pulso láser (es decir, \(< 0,7\%\) ) que hace que la tasa de ablación también sea muy estable a lo largo del tiempo.

A diferencia de los láseres excimer KrF, donde la energía de salida del láser es controlable, la falta de capacidad del láser Nd:YAG para ajustar la energía se ha evitado mediante la adopción de un protocolo de proceso específico para el crecimiento/optimización de películas delgadas epitaxiales. De hecho, para reducir la fluencia total del pulso láser, se utiliza como máscara láser una pieza de cerámica de alúmina con un orificio de diámetro variable (por ejemplo, 1\(-\)2 mm o mayor/menor). Después de eso, se colocó una lente de enfoque en la trayectoria del láser para enfocar los pulsos del láser en los objetivos con un ángulo de incidencia de 45\(^{\circ }\).

YBCO pertenece a la familia de los cupratos y es conocido por su alta temperatura crítica superconductora T\(_{c}\) a aproximadamente \(\sim\) 90 K. El YBCO a granel tiene una estructura cristalina ortorrómbica (a = 0,384 nm, b = 0,393 nm, c = 1,182 nm, \(\alpha = \beta = \gamma = 90^{\circ }\)) y el grupo espacial pertenece a Pmmm29. Sin embargo, el crecimiento de películas delgadas epitaxiales de YBCO de alta calidad es la máxima prioridad para permitir sus propiedades superconductoras. Ya se han realizado varios trabajos sobre el crecimiento de películas delgadas epitaxiales de muy alta calidad de YBCO sobre diversos sustratos mediante la técnica PLD y utilizando exclusivamente láser excimer KrF. Como alternativa al uso de láseres excimer, muy pocos grupos han probado también la deposición de películas delgadas epitaxiales de YBCO sobre sustratos de SrTiO\(_{3}\) o MgO mediante el uso de láser Nd:YAG ya sea con 3rd (\(\lambda \)=355 nm)30 o cuarto (\(\lambda\)=266 nm)16,31,32 armónicos como una fuente de láser pulsado, respectivamente, ambos en el rango UV del espectro de radiación.

En contraste con las investigaciones anteriores, aquí usamos una vez más el láser Nd:YAG como una fuente de láser pulsado que opera en sus armónicos fundamentales (es decir, \(\lambda\)=1064 nm) para demostrar el crecimiento de películas epitaxiales de YBCO cultivadas en sustrato LaAlO\(_{3}\) (LAO) [0 0 1]. Las propiedades cristalográficas de las películas de YBCO se comprobaron mediante difracción de rayos X (XRD). En la Fig. 2, el escaneo simétrico típico \(\theta -2\theta\) muestra solo los picos YBCO (0 0 l) indicados como \(\blacklozenge\), lo que indica un crecimiento altamente texturizado a lo largo de la dirección del eje c. Aparte de los picos del sustrato LAO (indicados por \(\rombo\)), no se pueden observar más rastros de picos de impurezas o fases secundarias.

\(\theta -2\theta\) Exploración XRD de película YBCO cultivada en sustrato LAO [0 0 1].

El parámetro de red fuera del plano calculado a partir de la reflexión de Bragg (0 0 2) es \(\sim\) 1,176 nm, muy cerca de su constante de red principal29. Con el fin de evaluar el efecto del tratamiento térmico posterior a la deposición, se investigaron las propiedades de transporte de las películas de YBCO en estado de crecimiento y las diferentes condiciones posteriores al recocido mediante el método de cuatro sondas.

Las muestras cultivadas mostraron una T\(_{c} \sim\) 8 K muy baja. Esta característica puede explicarse por la baja presión de deposición de oxígeno, es decir, 5 \(\times \,10^{-2}\) mbar, lo que resulta en deficiencias de oxígeno en las películas de crecimiento de YBCO. Para compensar las deficiencias de oxígeno, las películas se post-recocieron a diferentes temperaturas de recocido y condiciones de presión de oxígeno. Las películas que fueron levemente post-recocidas (500 \(^{\circ }\)C, 100 mbar de oxígeno, 60 min) muestran una mejora en T\(_{c}\) de 8 a 62 K. Considerando que, el La película que se sometió a un post-recocido extremo (600 \(^{\circ }\)C, 300 mbar de oxígeno, 60 \(-\) 80 min) mostró un comportamiento superconductor típico con una pendiente lineal, y su T\(_{c }^{comienzo}\) aumentó de 55 a 93 K, lo que indica un aumento en la oxigenación de la película.

Se presentan imágenes SEM de las películas delgadas YBCO cultivadas usando (a) láser KrF Excimer y (b y c) primer armónico Nd: YAG láser de estado sólido. ( d ) Comparación de los espectros EDS de un objetivo YBCO (negro) y una película YBCO (roja) cultivada por el láser Nd: YAG de primer armónico.

Para evaluar la calidad de la superficie microestructural de las películas delgadas producidas con el primer láser Nd:YAG armónico, se realizó una comparación de imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) entre las películas cultivadas con el láser KrF Excimer convencional y el Nd:YAG sólido de nueva generación. láser de estado se presenta en la Fig. 3. Contrariamente a informes anteriores de gotas que aparecen en películas YBCO cultivadas con PLD33,34,35, la calidad de la superficie de la película YBCO cultivada con el primer láser Nd:YAG armónico, como se muestra en la Fig. 3b yc, es suave y libre de gotitas, similar a la superficie de la película que crece usando el láser KrF (como se muestra en la Fig. 3a). La transferencia estequiométrica de elementos se puede verificar comparando los perfiles de línea de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) del objetivo YBCO y la película YBCO, que son idénticos dentro de las limitaciones de la instrumentación, como se demuestra en la Fig. 3d. Las propiedades estructurales, superconductoras, el análisis microestructural y de composición de las películas YBCO revelan que los láseres Nd:YAG de nueva generación son igualmente comparables a la fuente de láser KrF tradicional.

Con el fin de evaluar más a fondo la ablación congruente de materiales de óxidos complejos de elementos múltiples mediante láseres Nd:YAG que operan en sus primeros armónicos, LaNiO\(_{3}\) (LNO) altamente metálico y CeO\(_{2}\) aislante ) también se depositaron sobre sustrato LAO. Debido a su carácter metálico, el LNO es uno de los materiales tecnológicamente más importantes y se emplea con frecuencia como contraelectrodo en dispositivos36,37,38. De manera diferente, el CeO\(_{2}\) aislante, además de ser ampliamente investigado para muchas aplicaciones amigables con el medio ambiente, como celdas de combustible de óxido sólido, división de agua para la producción de hidrógeno y sensores de oxígeno39,40,41, ha sido ampliamente utilizado como una capa amortiguadora funcional para el crecimiento de YBCO en forma de películas delgadas42.

LNO tiene un grupo espacial trigonal R-3c con constante de red a = 0,54535 nm y c = 1,31014 nm43, pero a lo largo de la dirección [012], se puede identificar una estructura de perovskita casi cúbica con una constante de red de 0,383 nm, lo que la hace fácilmente adaptable a la mayoría de los sistemas de perovskita. La estructura a granel de CeO\(_{2}\) es un tipo de fluorita cúbica con un parámetro de red de a = 0,54097 nm44. Cuando CeO\(_{2}\) crece en LAO, la celda reticular en el plano da como resultado una rotación de 45\(^{\circ }\) con un parámetro reticular en el plano de aproximadamente 0,38252 nm, por lo tanto, muy cerca de los del sustrato (es decir, 0,379 nm). Por lo tanto, ambos materiales son candidatos prometedores en el crecimiento de heteroestructuras multifuncionales que albergan una capa YBCO superconductora. A partir del escaneo XRD de gran angular \(\theta -2\theta\) (paneles a y b en la Fig. 4), las películas LNO y CeO\(_{2}\) muestran solo una única fase cristalina de ( 0 0 l) reflejos sin indicios de fases de impurezas secundarias.

\(\theta - 2\theta\) Difracción de rayos X fuera del plano de las películas LNO (a) y CeO\(_{2}\) (b) cultivadas en sustrato LAO [0 0 1], que muestra sólo (0 0 l) picos de difracción; curvas típicas de reflectividad de rayos X de ángulo bajo de LNO (c) y CeO\(_{2}\) (d) película que muestra oscilaciones claras hasta \(2\theta\) de 4\(^{\circ }\ )–5\(^{\circ }\).

La constante de red calculada fuera del plano de la película LNO es \(\sim\) 0,391 nm, que es mayor que la constante de red a granel, lo que confirma la tensión de compresión impuesta por el sustrato LAO. Por el contrario, la constante de red fuera del plano de la película CeO\(_{2}\) es \(\sim\) 0.541 nm, lo que infiere la relajación sustancial de las películas y la ausencia de cualquier tensión inducida por el sustrato. mecanismos impuestos por el sustrato.

Luego, se investigó el espesor de la película y la rugosidad de su superficie mediante la reflectividad de rayos X (XRR) de ángulo bajo, como se muestra en los paneles (c) y (d) de la Fig. 4. Las simulaciones del XRR de ángulo bajo se realizaron por medio del Paquete IMD del software XOP45,46. Además de la evaluación del espesor de las capas crecidas, las curvas XRR proporcionan una estimación directa de la rugosidad de la superficie siendo su intensidad volcada por su valor cada vez mayor. En el caso de LNO, las oscilaciones XRR se pueden ver para valores de 2\(\theta\) hasta 5\(^{\circ }\) y por encima de este, las oscilaciones caen por debajo de la sensibilidad experimental del difractómetro de rayos X. . De manera similar, en el caso de la película CeO\(_{2}\), las oscilaciones XRR se registraron hasta valores de 2\(\theta\) de aproximadamente 4,5\(^{\circ }\) y, de manera similar al LNO caso, por encima de este ángulo, las oscilaciones cayeron por debajo de la sensibilidad experimental del difractómetro de rayos X. Aunque el algoritmo de ajuste de XRR se basa en una fuente de rayos X monocromática con inhomogeneidades laterales insignificantes del haz (mientras que usamos un haz de rayos X no monocromático basado en laboratorio), la rugosidad de la raíz cuadrática media (RMS) de la superficie fue, por lo tanto, se estima en \(\sim\)0,4 nm, lo que corresponde a aproximadamente una sola celda unitaria LNO/CeO\(_{2}\) y, por lo tanto, infiere una rugosidad superficial muy baja para ambas capas funcionales.

Al ser LNO metálico a temperatura ambiente, se puede obtener una caracterización más detallada de las propiedades estructurales y electrónicas de LNO mediante difracción de electrones de baja energía (LEED) y microscopía de túnel de barrido (STM). La Figura 5a muestra LEED con puntos de difracción muy nítidos que indican el plano de la red cuadrada sin ninguna fase secundaria presente en las películas. Además, el análisis de topografía STM in situ en LNO (Fig. 5b) muestra una superficie de película muy plana con una rugosidad superficial RMS de aproximadamente \(\sim\) 0,3 nm, es decir, equivalente a menos de una rugosidad de celda unitaria. Finalmente, la medición del transporte eléctrico dependiente de la temperatura en la película LNO (Fig. 5c) muestra un comportamiento metálico hasta 77 K y la resistividad medida a 300 K es \(\sim\) 0,26 m\(\Omega\) cm, que es comparable con las películas cultivadas por láseres KrF.

(a) LEED de una película LNO tomada a 135 eV muestra puntos de difracción nítidos con celosía cuadrada, (b) topografía STM de la película y (c) su resistividad típica dependiente de la temperatura.

Hasta ahora, hemos ilustrado el crecimiento epitaxial de capas de óxido individuales. Para resaltar aún más la adaptabilidad y el desarrollo de la fuente de láser pulsado Nd:YAG, una pila de heteroestructura (Figura 6(c)) formada por capas de YBCO, CeO\(_{2}\) y LNO se ha depositado en LAO [ 0 0 1] sustrato. El crecimiento de cada capa se realizó en condiciones óptimas. Todas las capas se depositaron a la misma temperatura del sustrato, es decir, 720\(^{\circ }\)C mientras que la presión de fondo de oxígeno para el crecimiento de cada capa fue diferente. En particular, LNO, CeO\(_{2}\) y YBCO se cultivaron en 10\(^{-1}\), 5\(\times \,\,10^{-4}\) y 5\(\times \,\,10^{-2}\) mbar, respectivamente. Para oxigenar la capa funcional de YBCO, las muestras se post-recocieron durante aproximadamente 60–80 min a 600 \(^{\circ }\)C en una atmósfera de oxígeno a 300 mbar.

El XRD se utilizó para evaluar la calidad estructural de la pila de heteroestructura depositada en el sustrato LAO. Como era de esperar, solo (0 0 l) picos orientados de YBCO (\(\blacklozenge\)), CeO\(_{2}\) (\(\blacktriangle\)) y LNO (\(\blacktriangledown\)) Las capas se vieron en la Fig. 6a, lo que confirma la orientación preferencial a lo largo de la dirección cristalográfica [0 0 1] para todas las capas. Además, la ausencia de otros picos de difracción además de los relacionados con las tres capas descartó la presencia de fases espurias.

(a) escaneo \(\theta -2\theta\) de la heteroestructura YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO cultivada en sustrato LAO [0 0 1], (b) un HAADF-STEM transversal imagen y (c) una representación esquemática de la pila de heteroestructura YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO/LAO; (d) resistencia normalizada a temperatura ambiente frente al comportamiento de temperatura de la pila YBCO/CeO\(_{2}\) y YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO que muestra T\(_{c}^{cero } \sim\) 80 K y 70 K respectivamente.

Se utilizó microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF) para investigar la nanoestructura de la película. En la Fig. 6b, la imagen de la sección transversal HAADF-STEM de la película destaca interfaces epitaxiales abruptas y de alta calidad con el sustrato subyacente y entre las diferentes capas de óxido. La estructura de la película sobre toda la imagen es homogénea y libre de defectos significativos. En particular, no se observó evidencia de segregación de gotitas. Los espesores medidos de las capas de óxido son YBCO de 100 nm, CeO\(_{2}\) de 50 nm y LNO de 170 nm. La Figura 6d muestra la resistencia a la dependencia de la temperatura de la pila YBCO/CeO\(_{2}\)/LAO y YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO/LAO, respectivamente. La resistencia muestra una dependencia lineal de la resistividad desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de transición superconductora sin signos de curvatura hacia arriba o hacia abajo como es típico para las muestras dopadas de forma casi óptima47,48. La capa de YBCO cultivada en el sustrato LAO tamponado de CeO\(_{2}\) demostró superconductividad a aproximadamente 80 K, mientras que la Tc de la pila de CeO\(_{2}\)/LNO/LAO disminuyó ligeramente a 70 K Esta disminución de Tc se puede atribuir a defectos estructurales en la estructura tricapa. Sin embargo, en ambos casos, la fase superconductora de la capa superior de YBCO muestra una transición brusca a resistencia cero.

Hemos establecido con éxito los protocolos de crecimiento de películas delgadas de óxido complejo epitaxial utilizando el primer láser Nd:YAG armónico que opera a una longitud de onda \(\lambda\) = 1064 nm. Gracias a las cualidades del láser de estado sólido de nueva generación, como la estabilidad, la homogeneidad y la longevidad de los láseres, se logran películas de óxido de buena calidad con alta reproducibilidad. El costo general de mantenimiento se reduce enormemente, ya que no se requieren generadores de armónicos ópticos ni la mezcla de gases nobles y venenosos de los láseres excimer, lo que es aún más respetuoso con el medio ambiente. Como resultado, los primeros láseres de estado sólido Nd:YAG armónicos son, sin duda, un poderoso sustituto de los láseres excimer tradicionales para la deposición de películas delgadas de óxido.

Los armónicos fundamentales de Nd:YAG (\(\lambda\) = 1064 nm) se utilizaron como fuente de láser pulsado para la deposición de sistemas de óxidos complejos ternarios. El tamaño del punto prístino del disparo láser es de unos 6 mm de diámetro con una energía típica de 700 mJ, lo que corresponde a una densidad de energía de unos 2,5 J cm\(^{-2}\) para el haz desenfocado. Con el doble objetivo de evitar la región periférica de los puntos láser y reducir la tasa de crecimiento por disparo láser, se utilizó una máscara óptica para reducir el tamaño del punto de 6 a 2 mm de diámetro.

Se depositaron películas delgadas epitaxiales de YBCO, LNO y CeO\(_{2}\) sobre sustrato LAO [0 0 1] mediante láser de estado sólido Nd:YAG que operaba en sus primeros armónicos. Todas las películas se depositaron a una temperatura de sustrato de 720 \(^{\circ }\)C y utilizando una frecuencia de repetición láser de 1 Hz. La tasa típica de deposición fue de aproximadamente 0,35 nm min\(^{-1}\). Después de la deposición, las películas delgadas de YBCO se post-recocieron a varias temperaturas de recocido (500 \(^{\circ }\)C y 600 \(^{\circ }\)C) y presiones de oxígeno (100 mbar y 300 mbar) durante unos 60–80 min. En comparación con las películas depositadas por los láseres KrF Excimer donde la distancia típica entre el objetivo y el sustrato d se mantiene en 4–5 cm, se obtuvieron condiciones de crecimiento óptimas con un valor ad de aproximadamente 8–10 cm para las películas depositadas por Nd: láser YAG.

La estructura cristalina, el espesor y la rugosidad de la superficie de las películas se probaron con un difractómetro Panalytical X'pert de cuatro círculos con una fuente de radiación Cu K\(_{\alpha _{1}}\). La morfología de la superficie y el ordenamiento cristalino de largo alcance fueron investigados por STM y LEED in situ, respectivamente. Se utilizó un método Van-der-Paw estándar de cuatro sondas para la investigación de las propiedades de transporte eléctrico de las películas dependientes de la temperatura.

La morfología de la superficie de las películas YBCO se estudió utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) con pistola de emisión de campo (FEG) Supra 40 equipado con una columna Gemini y un detector In-lens, lo que proporciona una relación señal-ruido mejorada. La composición química de las muestras se analizó mediante experimentos de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) utilizando un detector de deriva de silicio X-Act sin Oxford LN2. Luego, los resultados se procesaron utilizando el software Aztec para calcular la composición química de las muestras.

Los experimentos HAADF-STEM se realizaron utilizando un JEOL 2010 UHR TEM equipado con un cañón de emisión de campo y operado a 200 kV. El análisis de datos de microscopía se realizó con Gatan Microscopy Suite 3.20.1314.0 (GMS). Las imágenes HAADF-STEM se adquirieron usando un ángulo de iluminación de 12 mrad y un ángulo de recolección de 88 \(\le 2\theta \le\)234 mrad. Las muestras de TEM transversales se prepararon con una técnica de pulido convencional seguida de hoyuelos y fresado con iones de Ar. Se ha demostrado que este procedimiento de preparación minimiza las modificaciones estructurales y químicas de las muestras de TEM transversales y se ha aplicado con éxito a otros sistemas de película delgada de óxido49,50,51.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Coll, M. et al. Hacia la electrónica de óxido: una hoja de ruta. aplicación Navegar. ciencia 482, 1–93. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.312 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Yao, J., Zheng, Z. y Yang, G. Producción de materiales 2D de área grande para fotodetectores de alto rendimiento mediante deposición de láser pulsado. prog. Mate. ciencia 106, 100573. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100573 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Parque, D.-S. et al. La aparición de ordenamiento magnético en interfaces de óxido complejas sintonizadas por defectos. Nat. común 11, 3650. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17377-0 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Parque, D.-S. et al. Piezoelectricidad gigante inducida en óxidos centrosimétricos. Ciencia 375, 653–657. https://doi.org/10.1126/science.abm7497 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Middey, S. et al. Compensación de polaridad en películas ultrafinas de óxidos complejos: El caso de un niquelato de perovskita. ciencia Rep. 4, 6819. https://doi.org/10.1038/srep06819 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Liu, X. et al. Estado de Mott de transferencia de carga interfacial en superredes de iridato-niquelato. proc. nacional Academia ciencia 116, 19863–19868. https://doi.org/10.1073/pnas.1907043116 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dijkkamp, D. et al. Preparación de películas delgadas superconductoras de óxido de Y-Ba-Cu utilizando evaporación láser pulsada a partir de material a granel de alta Tc. aplicación física Letón. 51, 619–621. https://doi.org/10.1063/1.98366 (1987).

Artículo ADS CAS Google Académico

Venkatesan, T. Deposición por láser pulsado: ¿invención o descubrimiento?. J. física. Aplicación D física 47, 034001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/3/034001 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chen, A. et al. Evolución de la microestructura, tensión y propiedades físicas en películas de nanocompuestos de óxido. ciencia Rep. 4, 5426. https://doi.org/10.1038/srep05426 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Moyer, JA, Gao, R., Schiffer, P. & Martin, LW Crecimiento epitaxial de películas delgadas de ferrita de espinela altamente cristalina en sustratos de perovskita para dispositivos de óxido total. ciencia Rep. 5, 10363. https://doi.org/10.1038/srep10363 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Benetti, D. et al. Deposición combinada de magnetrón y láser pulsado de películas delgadas de TiO 2 y BFCO. ciencia Rep. 7, 2503. https://doi.org/10.1038/s41598-017-02284-0 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Vallés, F. et al. Optimización de la fijación de vórtices en películas superconductoras YBa2Cu3O7-x hasta campos magnéticos altos. común Mate. 3, 45. https://doi.org/10.1038/s43246-022-00266-y (2022).

Artículo CAS Google Académico

Khan, MZ et al. Isotropía de fijación de flujo mejorada mediante una red de defectos de tamaño nanométrico sintonizada en películas superconductoras YBa2Cu3O6+x. ciencia Rep. 9, 15425. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51978-0 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sí, MM et al. Control de la red de defectos de tamaño nanométrico en películas delgadas superconductoras por tamaño de grano objetivo. ciencia Rep. 11, 6010. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85304-4 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yashiro, M. et al. Tecnología de reducción del uso de gas láser excimer para la fabricación de semiconductores. En Proc. SPIE 10147, Microlitografía óptica XXX (eds Erdmann, A. & editorKye, J.) 101471O (2017). https://doi.org/10.1117/12.2257972.

Ono, I. et al. Fabricación de alto rendimiento material de conductores recubiertos de YBCO mediante el sistema Nd:YAG-PLD. física Procedimiento 27, 216–219. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.03.449 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Vasiliu, C. et al. Películas delgadas de materiales oxídicos avanzados obtenidas por deposición láser pulsada. aplicación Navegar. ciencia 253, 8278–8281. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.02.115 (2007).

Artículo ADS CAS Google Académico

Shimizu, R., Sugiyama, I., Nakamura, N., Kobayashi, S. & Hitosugi, T. Deposición láser pulsada de películas delgadas de óxido por el quinto armónico de un Nd:Y\(_{2}\)Al\ (_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) láser. AIP Avanzado. 8, 095101. https://doi.org/10.1063/1.5048441 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Orgiani, P., Ciancio, R., Galdi, A., Amoruso, S. & Maritato, L. Propiedades físicas de La\(_{0.7}\)Ba\(_{0.3}\)MnO\(_{ 3-\delta }\) películas delgadas de óxido complejo cultivadas mediante la técnica de deposición por láser pulsado. aplicación física Letón. 96, 032501. https://doi.org/10.1063/1.3292588 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chaluvadi, SK et al. Deposición láser pulsada de óxido y películas delgadas metálicas por medio de una fuente láser Nd:YAG operando en su 1er armónico: Aproximaciones y avances recientes. J. física. Mate. 4, 032001. https://doi.org/10.1088/2515-7639/abe661 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Polewczyk, V. et al. Ajuste de las propiedades magnéticas de las heteroestructuras V\(_{2}\)O\(_{3}\)/CoFeB en la transición estructural V\(_{2}\)O\(_{3}\). física Rev.Mater. 5, 034413. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.5.034413 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Caputo, M. et al. Transición de metal a aislante en la superficie de películas delgadas V\(_{2}\)O\(_{3}\): una vista in situ. aplicación Navegar. ciencia 574, 151608. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151608 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Mazzola, F. et al. Desenmarañar las propiedades estructurales y electrónicas en películas delgadas V\(_{2}\)O\(_{3}\): Una genuina transición de Mott que rompe la asimetría. Nano Lett. 37, 5990–5996. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02288 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Polewczyk, V. et al. Propiedades químicas, estructurales y electrónicas de películas ultrafinas de V\(_{2}\)O\(_{3}\) sobre sustrato de Al\(_{2}\)O\(_{3}\): Implicaciones en Transiciones tipo Mott. aplicación Navegar. ciencia 610, 155462. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155462 (2023).

Artículo CAS Google Académico

Gobaut, B. et al. Papel de la presión de depósito de oxígeno en la formación de estados de defectos de Ti en películas delgadas de anatasa de TiO\(_{2}\) (001). Aplicación ACS. Mate. Interfaces 9, 23099–23106. https://doi.org/10.1021/acsami.7b03181 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bigi, C. et al. Comportamiento distinto de portadores localizados y deslocalizados en anatasa TiO\(_{2}\) (001) durante la reacción con O\(_{2}\). física Rev.Mater. 4, 025801. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.025801 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Bigi, C. et al. Visión directa de la estructura de bandas de SrNbO\(_{3}\). física Rev.Mater. 4, 025006. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.025006 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Troglia, A. et al. Evidencia de un gas de electrones 2D en una celda unitaria de anatasa TiO\(_{2}\) (001). Adv. ciencia 9, 2105114. https://doi.org/10.1002/advs.202105114 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Capponi, JJ et al. Estructura del superconductor de 100 K Ba\(_{2}\)YCu\(_{3}\)O\(_{7}\) entre (5\(\div\)300) K por difracción de neutrones en polvo. Europhys. Letón. (EPL) 3, 1301–1307. https://doi.org/10.1209/0295-5075/3/12/009 (1987).

Artículo ADS CAS Google Académico

Khare, N., Buckley, JR, Bowman, RM, Donaldson, GB y Pegrum, CM Estudios de generación de armónicos en una película delgada de YBCO ablacionada con láser cultivada en 100-MgO. Pramana J. Física. 46, 283–288. https://doi.org/10.1007/BF02846915 (1996).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kusumori, T. & Muto, H. Fabricación de películas epitaxiales de YBCO de alta calidad mediante ablación utilizando el cuarto armónico del láser Nd:YAG. física C 321, 247–257. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(99)00352-4 (1999).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ichino, Y. et al. Posibilidad del Método Nd:YAG-PLD para la Fabricación de Conductores Revestidos REBCO. Trans. IEEE. aplicación supercond. 21, 2949–2952. https://doi.org/10.1109/TASC.2010.2091472 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Norton, DP Síntesis y propiedades de materiales de película delgada de óxido electrónico epitaxial. Mate. ciencia Ing. R. Rep. 43, 139–247. https://doi.org/10.1016/j.mser.2003.12.002 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Mozhaev, P., Rönnung, F., Komissinskii, P., Ivanov, Z. y Ovsyannikov, G. Formación de partículas en la superficie de película delgada de YBCO: efecto de la estequiometría y el material del sustrato. física C 336, 93–101. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(00)00246-X (2000).

Artículo ADS CAS Google Académico

Dai, XH et al. Películas de YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7 \delta }\) preparadas por deposición láser pulsada en una atmósfera de mezcla de O2/Ar. aplicación física A 126, 895. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03690-4 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Middey, S. et al. Física de películas ultrafinas y heteroestructuras de niquelatos de tierras raras. año Rev.Mater. Res. 46, 305–334. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070115-032057 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Rey, PDC et al. Control a escala atómica de fases electrónicas competidoras en LaNiO\(_{3}\) ultrafino. Nat. Nanotecnología. 9, 443–447. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.59 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Di Pietro, P. et al. Evidencia espectroscópica de una transición de metal a aislante inducida por dimensionalidad en la serie Ruddlesden-Popper La\(_{n+1}\)Ni\(_{n}\)O\(_{3n+1}\) . . . . Aplicación ACS. Mate. Interfaces 13, 6813–6819. https://doi.org/10.1021/acsami.0c19577 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Montini, T., Melchionna, M., Monai, M. & Fornasiero, P. Fundamentos y aplicaciones catalíticas de materiales basados en CeO\(_{2}\). química Rev. 116, 5987–6041. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00603 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yang, N. et al. Efectos del radio iónico dopante en la reducción de cerio en películas delgadas epitaxiales de óxido de cerio. J. física. química C 121, 8841–8849. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b00386 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Yang, N. et al. Propiedades estructurales mejoradas en películas delgadas epitaxiales de Sm\(_{0.4}\)Ce\(_{0.6}\)O\(_{2-\delta }\) dopadas homogéneamente. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 12, 47556–47563. https://doi.org/10.1021/acsami.0c13495 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Miletto Granozio, F. et al. Estructura y propiedades de una clase de YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) biepitaxial basada en CeO\(_{2}\) Josephson uniones física Rev. B 67, 184506. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.184506 (2003).

Artículo ADS CAS Google Académico

García-Muñoz, JL, Rodríguez-Carvajal, J., Lacorre, P. & Torrance, JB Estudio de difracción de neutrones de RNiO\(_{3}\) (R = La, Pr, Nd, Sm): Estructuras inducidas electrónicamente cambios a través de la transición metal-aislante. física Rev. B 46, 4414–4425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.4414 (1992).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Artini, C. et al. Características estructurales de la ceria dopada con Sm y Gd estudiadas mediante difracción de rayos X sincrotrón y espectroscopia \(\mu\)-Raman. Inorg. química 54, 4126–4137. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5b00395 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Sánchez del Río, M. & Dejus, RJ XOP v2.4: Desarrollos recientes del kit de herramientas de software de óptica de rayos X. En Proc. SPIE 8141, Avances en Métodos Computacionales para Óptica de Rayos X II (eds Sanchez del Rio, M. & Chubar, O.) 814115 (2011). https://doi.org/10.1117/12.893911.

Windt, DL IMD-Software para modelar las propiedades ópticas de películas multicapa. computar física 12, 360. https://doi.org/10.1063/1.168689 (1998).

Artículo ADS CAS Google Académico

Daou, R. et al. Dependencia lineal de la temperatura de la resistividad y el cambio en la superficie de Fermi en el punto crítico del pseudogap de un superconductor de alta Tc. Nat. física 5, 31–34. https://doi.org/10.1038/nphys1109 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Sachdev, S. ¿Dónde está el punto crítico cuántico en los superconductores de cuprato?. física Status Solidi B 247, 537–543. https://doi.org/10.1002/pssb.200983037 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Knez, D. et al. Descubrimiento de superestructuras vacantes de oxígeno en películas delgadas de anatasa reducida. Nano Lett. 20, 6444–6451. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02125 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Rajak, P. et al. Evidencia de desplazamientos estructurales de iones de manganeso correlacionados con vacantes de oxígeno en capas muertas interfaciales de La\(_{0.7}\)Sr\(_{0.3}\)MnO\(_{3}\). Aplicación ACS. Mate. Interfaces 13, 55666–55675. https://doi.org/10.1021/acsami.1c15599 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ciancio, R. et al. Nanoestructura de capas de interfaz enterradas en películas delgadas de anatasa de TiO\(_{2}\) cultivadas en sustratos de LaAlO\(_{3}\) y SrTiO\(_{3}\). Nanoescala 4, 91–94. https://doi.org/10.1039/C1NR11015B (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Descargar referencias

Este trabajo se ha realizado en el marco de la instalación Nanoscience Foundry and Fine-Analysis (NFFA-MUR Italy Progetti Internazionali). El presente estudio de ciencia de materiales fue desarrollado para satisfacer las necesidades de una propuesta de NFFA dirigida a la espectroscopia de infrarrojo medio bajo la responsabilidad de D.Fausti a quien se agradece por las fructíferas discusiones científicas sobre el tema. SPC y PR acusan recibo de una beca del Programa ICTP para Capacitación e Investigación en Laboratorios Italianos, Trieste, Italia.

CNR-IOM Material Workshop Institute, TASC Laboratory, Area Science Park, ss14 km 163.5, 34149, Trieste, Italia

Sandeep Kumar Chaluvadi, Shyni Punathum Chalil, Federico Mazzola, Simone Dolabella, Piu Rajak, Marcello Ferrara, Regina Ciancio, Jun Fujii, Giancarlo Panaccione, Giorgio Rossi & Pasquale Orgiani

Centro Internacional de Física Teórica (ICTP), Strada Costiera 11, 34151, Trieste, Italia

Shyni Punathum Chalil y Piu Rajak

AREA Science Park, Padriciano 99, 34139, Trieste, Italia

reina ciancio

Departamento de Física, Universidad de Milán, Via Celoria 16, 20133, Milán, Italia

Jorge Rossi

Departamento de Ciencias Moleculares y Nanosistemas, Universidad Ca' Foscari de Venecia, 30172, Venecia, Italia

Federico Mazzola

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SKC y PO concibieron los experimentos y escribieron el borrador original; SKC, SPC y FM cultivaron las muestras; SKC, SPC y SD probaron propiedades estructurales por difracción de rayos X; SKC realizó la caracterización del transporte de las muestras; SKC y JF realizaron experimentos LEED y STM. PR, MF y RC realizaron los experimentos HRTEM, SEM y EDS. Todos los autores analizaron los datos, validaron los resultados y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Sandeep Kumar Chaluvadi o Pasquale Orgiani.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Chaluvadi, SK, Punathum Chalil, S., Mazzola, F. et al. Láser infrarrojo Nd:YAG como alternativa viable al láser excimer: estudio de caso de YBCO. Informe científico 13, 3882 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30887-3

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Recibido: 06 Diciembre 2022

Aceptado: 02 de marzo de 2023

Publicado: 08 marzo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30887-3

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