Cực catot là một ống kim loại được đặt ở phía trước của anode. Các điện tử được tạo ra dựa trên hiệu ứng quang điện. Catot có thể được sử dụng ở chế độ DC và điện trường bị khử làm cho các điện tử di chuyển chậm. Điều này làm tăng sự va chạm và ion hoá. Để đạt được dòng năng lượng cao, catot được sử dụng trong chế độ xung. Khi đó, chỉ có một dòng hẹp điện tử tập trung thoát ra được.
Trong thiết kế giả phóng điện ban đầu, điện tử được gia tốc bởi một chuỗi các điện cực song song được phân cách nhau bởi các chất cách điện. Sự sắp xếp của catot và chuỗi các điện cực tạo ra một gradient điện trường tập trung hướng điện tử theo một trục trung tâm. Sự phóng điện xảy ra trong điện thế cao và áp suất thấp theo đường cong Paschen [16]. Một chùm xung điện tử năng lượng lớn được hình thành dọc theo trục trung tâm và thoát ra qua một khe hở. Mật độ dòng của chùm điện tử đạt tới khoảng 5000 A/cm2 với độ rộng xung khoảng 100 ns.
Thiết kế này gặp nhiều vấn đề do các lớp điện cực gây ra. Các đĩa kim loại sẽ bị oxi hoá sau khi sử dụng một thời gian khá ngắn, dẫn đến sự thay đổi các tính chất, ảnh hưởng tới sự phóng điện. Do đó, các đĩa kim loại này phải liên tục làm sạch, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này, thiết kế mới dựa trên cơ sở sử dụng một kênh điện môi thay cho một chuỗi các đĩa kim loại và chất cách điện. Thiết kế này có ưu điểm rất lớn với sự ổn định của chùm điện tử đồng thời hiệu quả hơn tới
7-8 lần khi truyền năng lượng từ chùm điện tử tới bia [35]. Kỹ thuật PED cho phép lắng đọng dễ dàng các màng oxide kim loại phức tạp, các vật liệu pha tạp.
b. Tương tác giữa ch m điện tử và bia
Khi chùm điện tử năng lượng cao tới và va đập với bề mặt bia, năng lượng sẽ bị hấp thụ bởi các lớp nguyên tử trên bề mặt bia và nhiệt độ ở vùng diện tích này sẽ tăng lên nhanh chóng làm vật liệu bốc bay và hình thành khối plasma.
Trong PED, sự bốc bay không phụ thuộc vào các tính chất quang của vật liệu làm bia bởi vì tương tác giữa chùm điện tử và bia khác so với PLD. Ban đầu, nhiệt lượng ở bề mặt bia phụ thuộc vào cân bằng giữa lượng nhiệt tới do tiêu hao năng lượng chùm tia và lượng nhiệt mất mát do sự dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu bia. Nhiệt độ rất cao ở bề mặt là do sự va chạm không đàn hồi giữa điện tử và các nguyên tử của bia. Sau một quãng đường di chuyển ngắn, một phần năng lượng lớn của điện tử sẽ bị mất cho tương tác Coulomb do sự tán xạ và khuếch tán của điện tử vào trong vật liệu. Điều này sẽ dẫn đến sự giam cầm điện áp gia tốc đặt vào trong lớp bề mặt với độ sâu khoảng 1 μm. Độ sâu của vùng bị giam cầm có bậc lớn hơn rất nhiều so với độ dài hấp thụ của bức xạ laser và do đó lượng vật liệu bị bốc bay lớn hơn một bậc so với kỹ thuật PLD (khoảng 0.6 μg/xung với laser ArF bước sóng 193 nm). Do đó, khối lượng vật liệu bốc bay giống nhau cho những vật liệu khác nhau nếu như các vật liệu này có cùng mật độ và độ dẫn nhiệt. Vậy nên, kết cấu và các tính chất của bia sẽ ảnh hưởng lớn đến tốc độ lắng đọng và thành phần hợp thức của màng mỏng.
c. Sự lan truyền khối plasma
Trong phương pháp bốc bay năng lượng xung cao, khối plasma được tạo ra ở bề mặt của bia sau khi tương tác với chùm năng lượng sẽ mở rộng theo hướng gradient có áp suất cực đại. Đối với kỹ thuật PED, áp suất cơ sở của hệ PED phải luôn được duy trì thấp hơn một bậc so với PLD để ngăn ngừa hiện tượng phóng điện mất kiểm soát. Hiện tượng phóng điện này sẽ ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng và hệ thống.
Các thông số ảnh hưởng đến chùm plasma gồm: sự nở rộng của khối plasma, nhiệt lượng và giảm tốc của vật liệu bốc bay. Công thức biểu diễn khoảng cách bia - đế tối ưu L0 phụ thuộc vào số lượng nguyên tử bị bốc bay N0 và áp suất khí P được cho như bên dưới:
L0 ≈ ( ) ⁄
Dựa vào công thức trên, khoảng cách tối ưu giữa bia - đế cho quá trình mọc màng vào khoảng 5 - 6 cm.
Tuy hệ PED tương đối đơn giản nhưng các hiện tượng vật lý cơ bản và quá trình phóng điện vẫn phức tạp. Sự phóng điện theo không gian và thời gian là một quá trình động lực học rất phức tạp. Các nghiên cứu thực nghiệm về phân bố năng lượng
chỉ ra rằng chùm điện tử có các điện tử với năng lượng khác nhau và các điện tử có năng lượng cao nhất chỉ tập trung ở cạnh. Điều này đã giải thích hiện tượng các hạt được tạo ra lại cản trở quá trình mọc màng tối ưu. Áp suất và thế gia tốc có ảnh hưởng lớn lên số lượng hạt và kích thước hạt của màng mỏng. Kích thước các hạt thay đổi theo hàm số mũ với thế gia tốc chùm tia. Kích thước hạt có thể giảm xuống dưới 100 nm bằng việc tăng áp suất. Bằng cách thay đổi các tham số chế tạo, kích thước các hạt của màng mỏng có thể điều khiển từ kích thước micromet tới nanomet.
d. Ưu điểm của phương pháp lắng đọng xung điện tử
- Bộ phận tạo xung điện tử được sử dụng trên cùng hệ laser, tiết kiệm chi phí, diện tích đặt máy.
- Năng lượng xung điện tử ổn định, với năng lượng xung tới 0.8J, điện áp cần dùng khoảng 15-18 kV.
- Có thể áp dụng cho nhiều vật liệu khác nhau như oxit kim loại nhiều thành phần, hợp kim hay polymer.
- Màng có độ dày đồng đều, có thể tạo màng mỏng trên đế có kích thước lớn.
e. Chế tạo màng mỏng PZT bằng kỹ thuật PED
Trong luận văn này, màng mỏng PZT được chế tạo sử dụng công nghệ bốc bay bằng xung điện tử tích hợp trên hệ xung laser PLD của hãng Neocera (Mỹ), đặt tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Micro và Nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội (hình 2.8).