Инфракрасный лазер Nd:YAG как жизнеспособная альтернатива эксимерному лазеру: практический пример YBCO

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3882 (2023) Цитировать эту статью

785 Доступов

Подробности о метриках

Мы сообщаем исключительно о выращивании и характеристике эпитаксиальных тонких пленок сложного оксида YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) и родственных гетероструктур. методом импульсного лазерного осаждения (PLD) и с использованием импульсного лазерного источника Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) первой гармоники (\ (\лямбда\) = 1064 нм). Высококачественные эпитаксиальные тонкопленочные гетероструктуры YBCO проявляют сверхпроводящие свойства с температурой перехода \(\sim\) 80 К. По сравнению с эксимерными лазерами при использовании Nd:YAG-лазеров оптимальные условия роста достигаются при большом расстоянии от мишени до подложки. расстояние д. Эти результаты ясно демонстрируют потенциальное использование лазерного источника Nd:YAG первой гармоники в качестве альтернативы эксимерным лазерам для специалистов по производству тонких пленок PLD. Его компактность, а также отсутствие каких-либо проблем безопасности, связанных с ядовитым газом, представляют собой крупный прорыв в нанесении сложных многоэлементных соединений в виде тонких пленок.

Тонкие пленки оксидных перовскитов обладают бесчисленными свойствами в электронике, магнетизме и оптике просто за счет настройки/легирования катионных элементов, а также содержания кислорода1,2,3,4,5,6. Импульсное лазерное осаждение (PLD) стало современной установкой для выращивания тонких пленок в оксидном сообществе после успешной демонстрации стехиометрического переноса сверхпроводящего YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) Сложный оксид O\(_{7-\delta }\) (YBCO)7 эксимерным лазером KrF с длиной волны \(\lambda\) = 248 нм. С тех пор эксимерные лазеры KrF стали доминирующим инструментом для выращивания очень высококачественных тонких пленок из сложных оксидов8,9,10,11, их применение варьируется от фундаментальных исследований материалов до передовых производств полупроводников для устройств12,13,14. Однако возникают серьезные ограничения в использовании эксимерных лазеров в лабораториях PLD по всему миру. Эксимерные лазеры состоят в основном из смеси благородных газов (96% Ne, 3,5% Kr/Ar), а оставшиеся 0,05% принадлежат смеси галогенов (т.е. F/Cl) в He, присутствующей в разрядной камере. Использование эксимерных лазеров часто вызывает опасения по поводу проблем безопасности (например, наличие высокотоксичных газов), что требует дорогостоящей инфраструктуры для их использования. Более того, из-за постоянно растущего спроса и нехватки ресурсов благородного газа стоимость премикса газовой смеси KrF значительно выросла за последние годы. В связи с этим, чтобы сократить их потребление, промышленность также внедрила способы переработки этих газов и достигла коэффициента переработки газа до 85% при стабильном выходе энергии лазера15. Тем не менее, время ожидания премиксов газовых смесей за последние годы значительно увеличилось, что не только затрудняет плавное течение повседневной деятельности, но и значительно увеличивает затраты на техническое обслуживание лазеров.

Чтобы снизить затраты и сократить время ожидания из-за отсутствия смесей благородных газов для эксимерных лазеров, ученые-материаловеды начали использовать твердотельные Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) лазеры в процессе роста PLD. Лазер Nd:YAG использует неорганические кристаллы для производства высокоэнергетического лазерного излучения, что исключает любые проблемы безопасности, связанные с наличием ядовитых газов. Основная частота Nd:YAG-лазера составляет 1064 нм в инфракрасной (ИК) области светового спектра, но за счет введения кристаллических генераторов оптических гармоник длину волны лазера можно перенести в ультрафиолетовую (УФ) область, т.е. , 266 нм (4-я гармоника) и 213 нм (5-я гармоника), имитируя длины волн эксимерного лазера. Хотя использование генераторов высших гармоник позволило успешно вырастить тонкие оксидные пленки16,17,18, существуют ограничения, такие как огромное снижение выходной энергии лазера за счет использования генераторов гармоник, которые, как известно, могут привести к неконгруэнтной абляции мишени19 и неоднородности в профиле лазерного луча сделали их менее привлекательными по отношению к эксимерным лазерам.