Chương 1 TỔNG QUAN
1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PTO
1.5.4. Phương pháp lắng đọng bằng xung laser (PLD)
Màng sắt điện PTO đã được nhiều nhà khoa học trên thế nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp PLD. Sử dụng áp suất Oxy cao trên 200 m, Torr, Horwitz [4] đã chế tạo được màng PbZrxTixO3 (0.4 < x < 1) với định hướng [001] trên đế các đơn tinh thể MgO và SrTiO3. Veradi và đồng nghiệp phủ một lớp đệm TiN trên đế Si để chế tạo màng có định hướng chủ yếu [111]. Cịn Roy và đồng nghiệp đã công bố việc chế tạo màng PTO định hướng [110] trên đế Si phủ TiO2/Pt. Các nghiên cứu về vật liệu sắt điện dạng màng trên các đế đơn tinh thể SrTiO3 cho những kết quả tốt, dòng rò thấp so với vật liệu khối. Tuy nhiên việc chế tạo các lớp đệm này yêu cầu phải sử dụng kỹ thuật MBE rất tốn kém, giá thành các đế đơn tinh thể rất cao, do vậy khơng phù hợp với mục đích triển khai ứng dụng.
PLD là kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách bắn phá một hay nhiều bia bằng chùm tia laser hội tụ công suất cao (khoảng 108W/cm2). Kỹ thuật này lần đầu tiên được sử dụng bởi Smith và Turner vào năm 1965 để chế tạo màng mỏng bán dẫn và điện mơi và sau đó được Dijkkamp và các cộng sự sử dụng để chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao vào năm 1987. Kỹ thuật bốc bay này đã được sử dụng cho tất cả các loại oxit, nitrit, cacbua cũng như được sử dụng để chế tạo các hệ kim loại, thậm chí cả polymer mà vẫn đảm bảo hợp thức hóa học của thành phần màng. Hình 1.10 mơ tả sơ đồ hệ lắng đọng bằng xung laser.
Lắng đọng bằng xung laser là phương pháp bốc bay gián đoạn. Chùm laser công suất lớn bắn lên bia, bốc bay một vùng mỏng bề mặt bia, hình thành pha hơi của vật liệu. Vùng hoá hơi của bia chỉ sâu khoảng vài trăm đến 1000 Ả. Khi ấy trên bề mặt của bia hình thành một khối plasma hình ellip. Tốc độ đặc trưng của các phần tử bốc bay đạt giá trị khoảng 3x105 cm/s, tương ứng với động năng 3 eV.
Trong kỹ thuật PLD, pha hơi của vật liệu được hình thành tại một vùng mỏng trên bề mặt bia. Khối plasma hình ellip được tạo thành trong chng chân không cao. Vật liệu bia bốc bay dạng pha hơi này sẽ lắng đọng lên đế để tạo màng. Trong phương pháp này người ta có thể thay đổi nhiều thơng số như năng lượng laser, tần số, nhiệt độ đế, áp suất khí, ... và do đó mở rộng khả năng điều khiển tính chất của vật liệu cần chế tạo. Ngoài ra gần đây kỹ thuật PLD còn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các cấu trúc dị thể, ứng dụng làm các tụ điện. Một trong các cấu trúc dị thể chế tạo bằng phương pháp PLD là
PTO/La0.5Sr0.5CoO3(LSCO).
Nói chung, q trình bốc bay bằng xung laser có thể chia thành ba giai đoạn chính (hình 1.11):
- Tương tác của bức xạ laser với bia và hình thành khối plasma trên bề mặt bia
- Khối plasma được mở rộng tới đế
- Vật liệu bia được chuyển tới và lắng đọng thành màng trên bề mặt đế
Kỹ thuật PLD có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp chế tạo khác với năng suất bốc bay cao, màng mỏng hình thành với cấu trúc và thành phần đúng hợp thức của bia. Quá trình bốc bay xảy ra rất nhanh đến mức sự phân huỷ thành phần hố học của vật liệu khơng kịp xảy ra. Tốc độ mọc màng cao, khoảng 10nm/phút và có khả năng chế tạo được màng mỏng đa lớp.
Tuy nhiên, kỹ thuật PLD có một số nhược điểm như:
Khối plasma được tạo ra hướng thẳng về phía đế, khơng mở rộng ra vùng không gian xung quanh, nên chiều dày của màng mỏng không đồng nhất, thành phần cấu tạo có thể thay đổi theo chiều dài của đế. Diện tích của vật liệu lắng đọng khá nhỏ, khoảng 1 cm2.
Thiết bị có giá thành cao, do nguồn khí sử dụng tạo laser là khí hiếm, điện áp cần để tạo xung laser rất lớn, có thể đến 30 kV.
Năng lượng xung khơng ổn định, suy hao trong q trình truyền dẫn và theo thời gian. Ngồi ra, tia laser sử dụng trong q trình bốc bày cịn nguy hiểm đối với người sử dụng.