Ph−ơng pháp bốc bay bằng xung laser là ph−ơng pháp có nhiều −u điểm cho việc chế tạo màng mỏng của các ôxit đa thành phần, nguyên lý làm việc đơn giản, hợp phần của vật liệu bia đ−ợc đảm bảo trong quá trình bốc bay. Vật liệu bia sử dụng trong ph−ơng pháp PLD có kích th−ớc nhỏ hơn so với vật liệu bia trong các ph−ơng pháp khác, nên việc chế tạo bia là t−ơng đối đơn giản và quen thuộc. Bằng việc khống chế số xung và thời gian phát xung laser, ta có thể điều khiển đ−ợc độ dày của màng khá chính xác.
Nguyên lý làm việc của hệ PLD là sử dụng xung laser có năng l−ợng cao để kích thích chuyển vật liệu từ bề mặt của bia thành thể hơi lắng đọng trên đế. Một đặc tính quan trọng của ph−ơng pháp PLD là hợp phần của vật liệu bia đ−ợc giữ lại trong quá trình lắng đọng màng. Do tốc độ tăng nhiệt rất cao tại bề mặt của vật liệu bia (~108K/s) khi xung laser dọi tới nên quá trình tạo màng bằng
ph−ơng pháp PLD có thể sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau mà không phụ thuộc vào nhiệt độ hóa hơi của của các nguyên tố hợp thành hoặc hợp chất của bia.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối của hệ PLD. Tia laser từ nguồn phát đ−ợc chiếu qua thấu kính hội tụ vào chuông và đ−ợc hội tụ trên bề mặt của bia. Tất cả các nguyên tố của bia bị gia nhiệt rất nhanh tới nhiệt độ hóa hơi, vật liệu từ mặt bia bay ra ng−ng tụ lại trên bề mặt của đế.
Quy trình chế tạo mẫu trên hệ PLD
Hệ PLD đ−ợc sử dụng để chế tạo mẫu trong luận văn là Meca 2000 đ−ợc đặt tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và Linh kiện, Viện Khoa học Vật liệu. Nguồn phát laser đ−ợc sử dụng là nguồn Nd:YAG có b−ớc sóng 532 nm và công suất là 1.2J/cm2.
Mặt phẳng tia hội tụ (bia)
Chuông chân không
Mặt phẳng đế Cửa sổ laser
Khe chắn Thấu kính hội tụ
Chùm tia lase
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ bốc bay xung laser i) Chọn đế và xử lý đế
Vật liệu đế đ−ợc sử dụng để chế tạo mẫu trong luận văn là Si đơn tinh thể định h−ớng (100). Để đảm bảo chất l−ợng của màng thu đ−ợc, các đế đều đ−ợc làm sạch bề mặt bằng máy rung siêu âm.
ii) Quá trình tạo màng
chất của màng mỏng La0.7Sr0.3MnO3, hai hệ mẫu đã đ−ợc chúng tôi sử dụng để nghiên cứu ảnh h−ởng của quá trình xử lý nhiệt và ảnh h−ởng của chiều dày lên tính chất của chúng. Quá trình tạo mẫu có sử dụng mặt nạ che chắn nên các mẫu đều có cùng diện tích.
Quá trình bốc bay tạo màng mỏng có thể tóm tắt nh− sau: Đế và bia sau khi xử lý đuợc gá vào chuông chân không, khoảng cách giữa bia và đế đ−ợc giữ cố định. Sau khi chân không của chuông đạt ~3.10-7, bật nguồn phát laser và tiến hành bốc bay chế tạo màng. Tất cả các mẫu chế tạo có cùng chế độ nh− khoảng cách bia - đế đ−ợc giữ không đổi, năng l−ợng của xung laser, tần số phát laser là f = 2 xung/giây. Chiều dày của mẫu đ−ợc khống chế bằng thời gian bốc bay.
Các mẫu chế tạo đã đ−ợc kiểm tra độ dày bằng ph−ơng pháp chụp ảnh mặt cắt của màng bằng ảnh FESEM và ph−ơng pháp Alpha Step. Kết quả của hai ph−ơng pháp cho thấy khá phù hợp nhau. Chiều dày của màng phụ thuộc khá tuyến tính với thời gian bốc bay.
iii) Quá trình xử lý nhiệt
Trong quá trình bốc bay chúng tôi không thực hiện đốt đế nên các màng mỏng tạo ra đều ở dạng
vô định hình. Các sản phẩm sau quá trình bốc bay đều đ−ợc xử lý nhiệt. Đây là quá trình hết sức quan trọng bởi nó ảnh h−ởng đến tính chất của các màng mỏng thu đ−ợc. Lò sử dụng cho quá trình xử lý nhiệt đ−ợc ghép nối với máy tính và sử dụng ch−ơng
trình điều khiển nhiệt độ, sai số cho phép khi ổn định nhiệt độ là ± 1oC. Tất cả các mẫu đều đ−ợc xử lý cùng một chế độ tăng và hạ nhiệt 3oC/phút, và đều đ−ợc
3oC/phút 3 oC/phút 3 oC/phút Các nhiệt độ khác nhau 350 oC Nhiệt độ ủ
Thời gian xử lý nhiệt
Hình 2.2. Quy trình xủ lý nhiệt chung của các mẫu khảo sát theo nhiệt độ.
giữ nhiệt ở 350 oC trong 2 giờ trên đ−ờng hạ nhiệt. Các quá trình xử lý nhiệt đều đ−ợc thực hiện trong
môi tr−ờng không khí. Hình 2.2 chỉ ra quy trình xử lý nhiệt chung cho các mẫu khảo sát theo nhiệt độ. Các mẫu sử dụng để khảo sát ảnh h−ởng của quá trình xử lý nhiệt lên tính chất đ−ợc chế tạo có cùng chiều dày (~ 50nm) và ủ ở các nhiệt độ khác
nhau là 550, 580, 600, 650, 700 và 750 oC trong thời gian 5 giờ.
0 100 200 300 400 500 600 700 0 200 400 600 800 300 phút 3 oC/phút 3 oC/phút 120 phút 3oC/phút
Thời gian xử lý nhiệt (phút)
Nhiệt độ ủ
Hình 2.3. Quy trình xử lý nhiệt chung của các mẫu khảo sát theo chiều dày
Với các mẫu sử dụng để khảo sát ảnh h−ởng của chiều dày lên tính chất của các màng mỏng, chúng tôi đã chế tạo các mẫu có chiều dày khác nhau và đ−ợc xử lý nhiệt cùng một chế độ, ủ 600 oC trong 5 giờ. Chiều dày của màng đ−ợc thay đổi từ khoảng 30nm đến 200 nm. Hình 2.3 là quy trình xử lý nhiệt với các mẫu khảo sát theo chiều dày.
Để tiện cho việc theo dõi trong phần kết quả, chúng tôi ký hiệu hai hệ mẫu nh− sau:
- Với các mẫu dùng cho việc nghiên cứu ảnh h−ởng theo nhiệt độ ủ:
STT Ký hiệu mẫu Thời gian bốc bay (phút) Nhiệt độ ủ (oC) 1 LS550 8 550 2 LS580 8 580 3 LS600 8 600 4 LS650 8 650 5 LS700 8 700 6 LS750 8 750
- Với các mẫu sử dụng để nghiên cứu ảnh h−ởng của chiều dày:
STT Ký hiệu mẫu Thời gian bốc bay (phút) Nhiệt độ ủ (oC) 1 LS6 6 600 2 LS8 8 600 4 LS12 12 600 5 LS14 14 600 6 LS16 16 600 7 LS20 20 600