نویسنده: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
لایه نشانی به کمک پالس لیزر یکی از روشهای مهم در رشد لایه های نازک با کیفیت بالا از موادی است که دارای ساختار پیچیده هستند. نمایی از اصول این روش در شکل 1 نشان داده شده است. در این روش، پالس لیزری شدید از دریچه اپتیکی محفظه خلاء عبور کرده و بر روی ماده جامدی که می خواهیم لایه نازک مورد نظر را از آن ایجاد کنیم (هدف) کانونی می شود. با کانونی شدن پرتو لیزر بر روی سطح هدف، ضمن اینکه پرتو لیزر جذب می شود، سطح هدف سریعاً تبخیر می گردد. توان آستانه ای که برای انجام این فرآیند لازم است به نوع ماده هدف، ساختار آن، طول موج لیزر و فرکانس آن وابسته است. پرتو کانونی شده، میدان الکتریکی آن چنان بزرگی تولید می کند که تعدادی از الکترونها که در عمق جذب اپتیکی ماده قرار می گیرند، سریعاً از اتمهایشان جدا می شوند. این الکترونها در میدان الکترومغناطیسی پرتو لیزر نوسان می کنند و سپس با اتمها یا یونهای مجاور برخورد کرده و مقداری از انرژی خود را به شبکه بلوری منطقه سطحی هدف منتقل می کنند.این فرآیند در مدت زمانی از مرتبه پیکو ثانیه و به محض برخورد پرتو لیزر به سطح صورت می گیرد. پس از اینکه با گذشت زمان ns10 یک پالس لیزر با هدف برخورد کرد، هاله خیلی داغ از ماده هدف تبخیر شده، با دمای حدود K10000 یا بیشتر تولید می شود که پلاسمای لیزر یا پلام نام دارد. مواد تبخیر شده با گسترش سریع پلام، بر اثر نیروی دافعه کولنی از سطح هدف رانده شده و سپس به سمت زیر لایه حرکت می کنند. چگالیده شدن مجدد مواد فاز گازی، برروی سطح زیر لایه که در مسیر پلاسمای گازی قرار دارد، اتفاق می افتد. در هر لحظه که لیزر یک پالس می فرستد مقداری از ماده تبخیر شده و بر روی زیر لایه می نشیند و با تکرار این فرآیند پس از چند ده هزار پالس، لایه ای با ضخامت 1 روی زیر لایه شکل می گیرد.
یکی از مزیت های فوق العاده مهم لایه نشانی به کمک پالس لیزر، این است که لایه ایجاد شده نه تنها استوکیومتری یکسان با ماده هدف دارد بلکه ساختار بلوری آنها نیز یکسان است. به عنوان مثال این روش قابلیت رشد لایه ای جهت یافته از لعل Gd_3 Sc_2 Ga_3 O_12 با 160 اتم در سلول واحد، بر روی زیر لایه (001) Si را دارد. به دلیل این خاصیت، کاربرد روش پالس لیزر در آزمایشگاههای تحقیقاتی به عنوان یک روش انعطاف پذیر رو به افزایش است، به طوری که اکنون در رشد لایه نازک ابر رساناهای YBa_2 Cu_3 O_(7-x)و به خصوص نیمه رساناها که در آنها رشد لایه های با فاز خالص و ساختار بلوری جهت یافته بسیار اهمیت دارد، مورد استفاده قرار می گیرد.
پدیده قطره ای شدن در رشد لایه نازک به روش پالس لیزر(PLD)
یکی از مشکلات روش پالس لیزر، ایجاد قطره های کوچک بر روی سطح لایه است. این قطره ها ذرات ماکروسکوپی از مرتبه میکرون هستند که از سطح هدف هنگام لایه نشانی کنده شده و با قرار گرفتن روی لایه، همگنی و کیفیت آن را از بین می برند. این فرآیند در موادی اتفاق می افتد که در آنها زمانی که لازم است تا انرژی لیزر به گرما تبدیل شده و به ماده منتقل شود نسبت به زمانی که برای تبخیر لایه سطحی ماده لازم است کوچکتر باشد. این پدیده ارتباط زیادی با عمق پوسته که با رابطه زیر تعریف می شود دارد :

که μ_0 نفوذ پذیری فضای آزاد، σ هدایت الکتریکی و ω فرکانس زاویه ای پرتو فرودی است. بنابراین در موادی نظیر مواد دی الکتریک و نیمه رسانا که در آنها σ خیلی کوچک است، این پدیده تقریباً اتفاق نمی افتد در حالی که در فلزات که نقطه ذوب پائین و هدایت الکتریکی و گرمایی بالایی دارند، این فرآیند غالب خواهد بود. به عنوان مثال در فریتهای نظیر باریم و استرانسیوم که مقاومت الکتریکی ویژه در حدود 104* 5 ( 5- 10*2 = ) و نقطه ذوب حدود 1390 درجه ی سانتیگراد دارند، مقدار تقریباً 103 * 2/3 و پدیده قطره ای شدن کمتر اتفاق می‌افتد. در حالی که در فلزاتی نظیر Al مقدار تقریباً 3/2 است و این پدیده شدیداً اتفاق می افتد. به عنوان مثال شکل 2 ایجاد قطره های ریز در حد را بر روی سطح لایه نازک فریت استرانسیوم نشان می دهد.
در بسیاری از موارد، تشکیل قطره های بزرگ روی سطح لایه ها با به کار بردن هدفهای چگال با سطح صاف و صیقلی در فرآیند لایه نشانی کاهش می یابد.
پارامترهای موثر بر لایه نشانی مواد پیروالکتریک به روش PLD

اثر گاز اکسیژن

به منظور لایه نشانی در روش PLD نظیر روش کندوپاش از گازهای خاصی استفاده می‌شود. حضور گاز نه تنها انرژی ذرات موجود در پلام را کاهش داده و تعدیل می کند، بلکه کاهش قابل ملاحظه ای در چگالی یونهایی که از سطح هدف به زیر لایه منتقل می شوند، ایجاد می کند. در ضمن به منظور شکل گیری لایه های نازک اکسیدها و نیتراتها، برهم کنش پلام با گاز زمینه نقش مهمی در تولید مولکولها و اتمهایی دارد که برای رشد فاز ترکیب مورد نظر لازم است. در رشد لایه های نازک اکسید، غالباً ضرورت دارد که در فرآیند لایه نشانی، یک محیط اکسید کننده ایجاد شود. حضور چنین محیطی به شکل گیری فاز بلوری مورد نظر کمک کرده و کمبود اکسیژن نمونه را در هنگام شکل گیری آن جبران می-کند تا بدین ترتیب استوکیومتری صحیحی برای لایه نازک به وجود آید.
براساس مشاهداتی که اخیراً انجام شده، استفاده از یک گاز اکسید کننده نظیر اکسیژن در رشد لایه های نازک اکسیدی با T_c بالا ضروری به نظر می رسد. برای تشکیل لایه های نازک اکسیدی با کیفیت مطلوب در محیط اکسیژن، لازم است که فشار اکسیژن و دمای زیر لایه نسبتاً بالا انتخاب شود و این امر محدودیتی را در استفاده از این گاز در لایه نشانی ایجاد می کند. به دلیل این محدودیت اخیراً برای رشد لایه های نازک ترکیبات اکسیدی نظیر ابررساناها از گازهایی نظیردی نیتروژن اکسید ، نیتروژن دی اکسید و اوزون که فرآیند لایه نشانی را در فشار کمتر و دمای زیر لایه پایین تر انجام می دهند، استفاده می شود.
بسته به فشار گاز مورد استفاده در لایه نشانی، هم فاز گازی و هم واکنشهای سطحی در فرآیند اکسید شدن مهم هستند. دیاگرام شکل 3 فازهای گازی ممکن و واکنشهای اکسیداسیون سطحی که در رشد لایه های ابررسانای YBCO اتفاق می افتد را نشان می دهد. به منظور سادگی فقط واکنشهای شامل آنیونها و کاتیونهای خنثی نشان داده شده است. در رشد لایه های نازک اکسیدی با کیفیت بالا، محدوده خاصی از فشار برای گاز مورد نظر در لایه نشانی استفاده می شود. در این محدوده، برهم کنش های زیادی بین کاتیونهای موجود در پلام و گاز اکسید کننده اتفاق می افتد که منجر به تشکیل اکسیدها بر روی سطح زیر لایه می شود. به علاوه در اثر برخورد فوتونهای لیزر با مولکولهای گاز اکسیژن درون محفظه، اتم های اکسیژن تولید می شود. این اتمهای اکسیژن مازاد بر اتمهای اکسیژنی است که از خود نمونه به همراه کاتیونهای فلزی در درون محیط تشکیل شده اند. تعدادی از اتمهای اکسیژن تولید شده در ضمن حرکت به سمت زیر لایه در اثر واکنشهای شیمیایی با گاز زمینه از بین می روند. به طور مشابه تعداد کاتیونهای موجود در حوالی زیر لایه نیز بر اثر واکنش دادن و پراکندگی الاستیک با گاز کاهش می یابند. آن دسته از اتمها و مولکولهایی که در این فرآیندها از بین نرفته اند و به سطح زیر لایه رسیده و جذب سطح می شوند، فرآیندهای پیچیده ای نظیر اکسید شدن، ترکیب شدن مجدد و جذب سطحی را انجام داده و منجر به شکل گیری فاز مورد نظر می شوند. بنابراین تحت شرایط خاص، احتمال حضور اکسیدهای فلزی دیگری علاوه بر فاز اکسیدی مورد نظر برروی زیر لایه وجود دارد.
در رشد لایه های نازک بعضی از اکسیدها که ساختار پیچیده دارند، ممکن است که وجود گاز اکسید کننده برای شکل‌گیری فاز مورد نظر بر روی زیر لایه، کافی نباشد. این حالت به خصوص زمانی که تعداد زیادی از کاتیونها در حرکت به سمت زیر لایه، بر اثر برخورد با فاز گازی پراکنده می‌شوند، به وجود می‌آید. بنابراین لازم است تا در فرآیند لایه نشانی از هدفی که استوکیومتری آن با استوکیومتری لایه مورد نظر متفاوت است استفاده شود تا بدین طریق کمبود کاتیونها جبران شود. به عنوان مثال در رشد لایه نازک LiNbO_3اتمهای Li که سبک‌ترند از طرفی به سادگی در برخورد با مولکولهای گاز پراکنده می‌شوند و از طرف دیگر در هنگام رشد برروی زیر لایة با دمای بالا، از سطح زیر لایه فرار می کنند و بنابراین لایه چند فازی که درصد Nb آن بالاست تشکیل می شود. برای رفع این مشکل از هدفی که درصد Li آن بیش از استوکیومتری مورد نظر در ترکیب است استفاده شده و در فرآیند لایه نشانی، فشار گاز اکسیژن را کاهش می دهند.
حضور یونها در فرآیند لایه نشانی، حتی در غلظت کم، چگونگی رشد و خواص لایه ها را شدیداً تحت تأثیر قرار می دهد. در اثر حضور یونها، فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی روی سطح زیر لایه اتفاق می افتد که سبب بهبود خواص لایه می شود. بهتر شدن ساختار سطح لایه، شکل گیری فاز یا جهت گیری بلوری خاص و کاهش دمای زیر لایه اثرات ناشی از حضور یونها در فرآیند لایه نشانی است. به خصوص، انرژی یونها و نسبت تعداد یونها به اتمها، اثرات مهمی بر ترکیبات شیمیایی و ساختار لایه ها دارد. در آزمایش ساده ای که توسط Gaponov و همکارانش در لایه نشانی PbTe روی زیر لایه های KCl انجام شد، دریافتند که در اثر افزایش شاریونهایی که به زیر لایه می رسند، ساختار لایه از حالت بسبلور به تک بلور نزدیک می شود.

اثر دمای زیر لایه

دمای زیر لایه پارامتر بسیار مهمی در شکل گیری ساختار لایه و ایجاد استوکیومتری مورد نظر برای لایه محسوب می شود. در لایه نشانی به روش PLD معمولاً زیر لایه تا دمای مشخصی گرم شده و در مدت لایه نشانی در آن دما، ثابت نگه داشته می شود.
بر حسب انتخاب نوع ماده برای لایه نشانی، دمای زیر لایه تغییر می کند. در مورد فلزات پارامتر T_h به صورت T_h=T/T_m تعریف می-شود که در آن T دمای زیر لایه و T_m دمای ذوب فلز برحسب درجه کلوین هستند. زمانی که دمای زیر لایه به گونه ای انتخاب شود که T_hدر محدود〖0.3