היווצרות עבה צפופים איטריום ברזל גרנט הסרטים באמצעות תרסיס הפקדת
Summary
דו"ח זה מתאר את השימוש במערכת שהותקן לבצע בתצהיר תרסיס של סרטים עבים של גארנט ברזל איטריום על גבי מצעי ספיר ב RT. הסרטים שהופקדו מאופיינים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים, profilometry, ותהודה פרומגנטיים לתת סקירת נציג של היכולות של הטכניקה.
Abstract
בתצהיר תרסיס (AD) הוא תהליך בתצהיר סרט עבה שיכול לייצר שכבות עד כמה מאה מיקרומטר עבה עם צפיפות גדולה יותר מ -95% מהכמות הגדולה. היתרון העיקרי של הספירה הוא שהתצהיר מתרחש כולו בטמפרטורת הסביבה; וכך לאפשר צמיחת סרט במערכות חומר עם טמפרטורות התכה שונות. דו"ח זה מתאר בפירוט את צעדי עיבוד להכנת האבקה ולביצוע הספירה באמצעות מערכת שהותקן. תוצאות אפיון נציג מוצגות ממיקרוסקופיית אלקטרונים, profilometry, ותהודה פרומגנטיים לסרטים גדלו במערכת זו. כנציג סקירת היכולות של המערכת, מוקד ניתן למדגם מיוצר הבאים הגדרת מערכת פרוטוקול ותאר. תוצאות מצביעות על כך שמערכת זו יכולה להפקיד בהצלחה 11 מיקרומטר סרטים עבים ברזל איטריום נופך ש> 90% מהצפיפות בצובר בr תצהיר 5 דקות בודדותהאו"ם. דיון בשיטות להרשות לעצמם שליטה טובה יותר בבחירת התרסיס וחלקיקים לעובי השתפר ווריאציות חספוס בסרט מסופק.
Introduction
בתצהיר תרסיס (AD) הוא תהליך בתצהיר סרט עבה שיכול לייצר שכבות עד כמה מאה מיקרומטר עבה עם צפיפות גדולה יותר מ -95% מהכמות הגדולה 1. הוא האמין תהליך ההדחה להתרחש בתהליך מתמשך של השפעה, שבר או עיוות, הידבקות, וציפוף של חלקיקים. איור 1 מתאר תהליך זה כסדרה של צעדים המראים השפעת חלקיקים וציפוף על פני כמה צעדים. כפי שניתן לראות, החלקיקים לנוע לכיוון המצע עם מהירות אופיינית של 100-500 מ '/ שנייה. כהשפעת חלקיקים הראשוניים עם המצע שהם שבר ולדבוק במצע. שכבת עיגון זה מספקת את ההידבקות המכנית בין המצע לבין הסרט בתפזורת. כהשפעות שלאחר מכן יתרחשו חלקיקי היסוד הם שבר יותר ויותר, דבק, וdensified נוסף. תהליך זה של השפעה מתמשכת, שבר, וציפוף עובד כדי לדחוס את הסרט הבסיסי ואג"ח crystallites ולהפיק סרט עם צפיפות להגיע יותר מ 95% של החומר בתפזורת.
איור איור 1. של תהליך ההדחה. לוח מראה שלושה חלקיקים נעו לעבר המצע עם מהירות אופיינית של 100-500 מ '/ שנייה. הלוח ב 'מראה את התוצאה של השפעה, שבר, והידבקות של החלקיקים הראשונים. לוחות C ו- D להראות את ההשפעה הבאה של החלקיקים השני והשלישי, שקומפקטי נוספת סרט הבסיסי ואג"ח הגבישים. התוצאה היא סרט עם צפיפות גדולה יותר מ -95% מהחומר בתפזורת (לשכפל באישור מהעיון 19). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
היתרון העיקרי של הספירה הוא שdeposition מתרחש כולו בRT הסביבה; וכך לאפשר צמיחת סרט, למשל, של חומר-התכה בטמפרטורה גבוהה (אבקה מתחילה) על מצע-התכה בטמפרטורה נמוכה. השיעור בתצהיר יכול להיות עד כמה מיקרומטרים לדקה ומבוצע בתנאי ואקום מתונים של 1-20 Torr בתא בתצהיר. התהליך מציג את היכולת בהיקף של עד לאזורים בתצהיר גדולים מאוד ובסופו, הוא יכול להפקיד conformally. 2
יש הרבה מערכות חומר שנלמדו על ידי הספירה למגוון רחב של שימושים, כגון סלילים 3, ציפויי שחיקה עמידה 4, 5 piezoelectrics, multiferroics 6, 7 magnetoelectrics תרמיסטורים 8, סרטים ותרמית 9, חומרים דיאלקטריים גמישים 10, שתלי רקמות קשים וbioceramics 11 אלקטרוליטים, מוצקים 12, וphotocatalysts 13. עבור יישומים למכשירי מיקרוגל, סרטים מגנטיים של severaמאות l של מיקרומטרים בעובי נדרשים שיהיה באופן אידיאלי להיות משולבים ישירות לתוך אלמנטי המעגלים. אתגר אחד למימוש אינטגרציה זו הוא משטר הטמפרטורה גבוהה הנדרש לבודת סרטי פרית (ראה סקירה על ידי האריס et al. 14), כגון נופך ברזל איטריום (YIG). מסיבה זו הספירה נראית בחירה טבעית למימוש פוטנציאל התקדמות חדשה בטכנולוגית מעגל משולבת מגנטית. הפעולה בעלות נמוכה, שיעור בתצהיר גבוה, והפשטות של הספירה דרבנה ריבית על ידי חוקרים בגרמניה, צרפת, יפן, קוריאה, וכעת בארצות הברית.
איור 2 הוא ציור המתאר את ההתקנה הבסיסית לביצוע בתצהיר תרסיס. לחץ הוא פיקוח במקומות מסומן ע AC, DC P, ו- P H לתא התרסיס, קאמרי בתצהיר, וראש המשאבה, בהתאמה. זרימת הגז, הנשלטת על ידי הזרימה ההמונית בקר (MFC), נכנסה לתרסיסקאמרי וaerosolizes האבקה. קאמרי בתצהיר נשאב ליצור הבדל הלחץ בין שני התאים, גורם לזרימה של חלקיקים באמצעות מלבני פתיחת נחיר (0.4 מ"מ x 4.8 מ"מ).
איור 2. רכיבים עיקריים במערכת NRL ADM. לחץ הוא פיקוח במקומות מסומן ע AC, DC P, ו- P H לתא התרסיס, קאמרי בתצהיר, וראש המשאבה, בהתאמה. ראה טקסט לפרטים. (זכויות יוצרים (2014) חברת יפן של פיסיקה יישומית, לשכפל מהעיון 20). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הגודל הממוצע של חלקיקי YIG פרט בעבודה זו הוא 0.5 מיקרומטר. ההשפעה של מסכת גורמת אלהחלקיקים קטנים כדי ליצור agglomerates הגדול הרבה יותר שנעים בגודל כ -10 מיקרומטר לכ -400 מיקרומטר. שליטה בשיעור הגודל ומשלוח צבירה היא חיונית להשגת סרט בנוי היטב צפוף. זה מחייב תצורה של תא תרסיס המאפשר בחירת גודל ושטף חלקיקים אחיד לתוך התא בתצהיר. האבקה היא מראש הסתנן כדי להסיר כל agglomerates גדול יותר מ -53 מיקרומטר לפני נטען לתוך תא התרסיס. תצורת תא תרסיס המשמשת בעבודה זו מתוארת באיור 3. גז חנקן נכנס דרך ארבעה חרירי כניסה (שני מוצגים באיור 3) ממוקמים בצדדים התחתון של החדר. גז אינטראקציה עם אבקת YIG (מוצגת בירוק) לייצר תרסיס המורכב מהפצה של חלקיקים מגובבים גדלים פחות מ -53 מיקרומטר. תועמלן בבסיס תא התרסיס עשוי צלחת נירוסטה רטט ללא הרף כדי לשמור על האבקה עובר לזרימת הגז. Agglomerates להשפיע מסנן 45 מיקרומטר, המאפשר agglomerates רק בגודל פחות מ -45 מיקרומטר להיכנס לכניסת הזרבובית. עם כניסתו לנחיר מפרצון agglomerates מואץ למהירות גדולה ונפלט לתוך התא בתצהיר (לא מוצג) כדי לבצע את התצהיר. מוט פלדת אל-חלד המחבר את החלק התחתון של המסנן לבסיס של התועמלן (לא מוצג) כדי לסייע בסינון סתימה-דה.
איור 3. איור של תצורת תא תרסיס הפנימית, עם מסנן, חרירי כניסה, ואבקת YIG לראות. ראה טקסט לפרטים.
דו"ח זה מפרט את ההליך ניסיוני לבצע הספירה באמצעות מערכת שהותקן שתוארה לעיל כדי לייצר סרטים צפופים של YIG. תוצאות נציג לסרט עבה 11 מיקרומטר מיוצר בשיטה זו מוצגות באמצעות scanninמיקרוסקופ אלקטרונים גרם (SEM), פרופילי עובי, ותהודה פרומגנטיים (FMR). התוצאות שהוצגו אינן מיועדות להיות לימוד מעמיק של התכונות מגנטיות או מבנה חומר של הסרט, אלא כהפגנה של הסרטים שהופקו על ידי טכניקה זו. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
תמונת SEM באיור 4 עולה כי שבר וציפוף משמעותיים מתרחשים במהלך תהליך ההדחה. התמונה נלקחה מהמשטח העליון של הסרט, אשר מציג מספר קטן של חללים ודגנים. האזור הנצפה הוא האחרון של החומר שיופקד ולכן אינו נהנה מתהליך ההשפעה והציפוף נוסף של החלקיקים הבאים כפי שמודגם על יד?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SDJ מכיר את התמיכה של האגודה האמריקנית להנדסת חינוך / NRL דוקטורים תכנית מלגות, דיונים עם קונרד Bussmann (NRL) וMingzhong וו (אוניברסיטת מדינת קולורדו) על התכונות מגנטיות של חומרים, ורון הולם (NRL) לחלקו בהכרת תודה התכנון והיישום של המערכת לספירת NRL.
Materials
| Ferromagnetic Resonance Spectrometer | www.bruker.com/ | 9.5 GHz Spectrometer | |
| Scanning Electron Microscope | www.zeiss.com | LEO Supra 55 | |
| Profilometer | www.kla-tencor.com/ | D-120 | |
| Stereo Microscope | www.microscopes.com | Omano Stereo Microscope | Used for inspection directly after removal from deposition chamber |
| Double-sided Copper Tape | www.2spi.com | 05085A-AB | hold-down clips or other adhesives may be used |
| Nitrile Exam Gloves | www.fishersci.com | 19-130-1597D | |
| 2-propanol | www.fishersci.com | A451SK-4 | |
| Acetone | www.fishersci.com | A11-1 | |
| Yttrium Iron Garnet Powder | www.trans-techinc.com/ | Call for Product Information | Powder is custom made to order and ground to specifications |
| Stainless Steel Spoon | www.fishersci.com | 14-429E | Used for scooping and transferring powder |
| Alumina Boats | www.coorstek.com/ | 65580 | |
| Drying Furnace | www.paragonweb.com | KM14 ceramic furnace | Furnace is connected to air during drying |
| Powder Sieves | www.advantechmfg.com/ | 270SS8F | A selection of mesh openings are needed to sieve from large down to target size |
| Ultra High Purity Nitrogen Gas | www.praxairdirect.com | NI 5.0UH-3K | Used as medium for aerosol. |
| Air Breathing Quality | www.praxairdirect.com | AI BR-4KN | Used inside furnace during drying |
| Lab Balance | www.balances.com/ | Sartorius ED224S Lab Balance | Used for weighing powder |
| Sapphire Wafers | www.pmoptics.com/ | PWSP-313211 |
References
- Akedo, J. Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) of Fine Ceramic Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices. J. of Therm. Spray tech. 17, 181 (2008).
- Hahn, B. D., Park, D. -. S., Choi, J. -. J., Ryu, J. Osteoconductive hydroxyapatite coated PEEK for spinal fusion surgery. Appl. Surf. Sci. 283, 6-11 (2013).
- Johnson, S. D., et al. Aerosol Deposition of Yttrium Iron Garnet for Fabrication of Ferrite-Integrated On-Chip Inductors. IEEE Trans. on Magnetics. 51 (05), (2015).
- Johnson, S. D., Kub, F. J., Eddy, C. R. ZnS/Diamond Composite Coatings for Infrared Transmission Applications Formed by the Aerosol Deposition Method. Proceedings of SPIE. 8708, 87080T-87081T (2013).
- Han, G., Ryu, J., Yoon, W. -. H., Choi, J. -. J. Effect of electrode and substrate on the fatigue behavior of PZT thick. Ceram. Int. 38 (1), S241-S244 (2012).
- Ryu, J., Baek, C. -. W., Lee, Y. -. S., Oh, N. -. K. Enhancement of Multiferroic Properties in BiFeO3-Ba(Cu1/3Nb2/3)O-3. Film. J. Am. Ceram. Soc. 94 (2), 355-358 (2011).
- Park, C. -. S., Ryu, J., Choi, J. -. J., Park, D. -. S. Giant Magnetoelectric Coefficient in 3-2 Nanocomposite Thick Films. Jpn. J. Appl. Phys. 48 (8), 1 (2009).
- Ryu, J., Park, D. -. S., Schmidt, R. In-plane impedance spectroscopy in aerosol deposited NiMn2O4 negative. J. Appl. Phys. 109 (11), 112722 (2011).
- Yoon, W. -. H., Ryu, J., Choi, J. -. J., Hahn, B. -. D. Enhanced Thermoelectric Properties of Textured Ca3Co4O9 Thick Film by Aerosol Deposition. J. Am. Ceram. Soc. 93 (8), 2125-2127 (2010).
- Ryu, J., Kim, K. -. Y., Choi, J. -. J., Hahn, B. -. D. Flexible Dielectric Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 Thin Films on a Cu-Polyimide Foil. J. Am. Ceram. Soc. 92 (2), 524-527 (2009).
- Hahn, B. -. D., Lee, J. -. M., Park, D. -. S., Choi, J. -. J. Mechanical and in vitro biological performances of hydroxyapatite-carbon. Acta Biomater. 8 (8), 3205-3214 (2009).
- Choi, J. -. J., Cho, K. -. S., Choi, J. -. H., Ryu, J. Effects of annealing temperature on solid oxide fuel cells containing (La,Sr) (Ga,Mg,Co)O3-δ electrolyte prepared by aerosol deposition. Mater. Lett. 70, 44-47 (2012).
- Ryu, J., Hahn, B. -. D. Porous Photocatalytic TiO2 Thin Films by Aerosol Deposition. J. Am. Ceram. Soc. 93 (1), 55-58 (2010).
- Harris, V. G., et al. Recent advances in processing and applications of microwave ferrites. J. of Magn. and Magn. Mat. 321, 2035 (2009).
- Kang, Y. -. M., Ulyanov, A. N., Yoo, S. -. I. FMR linewidths of YIG films fabricated by ex situ post-annealing of amorphous films deposited by rf magnetron sputtering. Phys. Stat. Sol. (a). 204 (3), 763-767 (2007).
- Popova, E., et al. Perpendicular magnetic anisotropy in ultrathin yttrium iron garnet films prepared by pulsed laser deposition technique). J. of Vac. Sci. Techn. A. 19 (5), 2567-2570 (2001).
- Sun, Y., et al. Growth and ferromagnetic resonance properties of nanometer-thick yttrium. Appl. Phys. Lett. 101 (15), 082405 (2012).
- Kalarickal, S. S., Krivosik, P., Das, J., Kim, K. S., Patton, C. E. Microwave damping in polycrystalline Fe-Ti-N films: Physical mechanisms and correlations with composition and structure. Phys. Rev. B. 77, 054427 (2008).
- Johnson, S. D. Advances in Ferrite-Integrated On-Chip Inductors Using Aerosol Deposition. Magnetics Business & Technology Magazine. 10, (2014).
- Johnson, S. D., Glaser, E. R., Cheng, S. -. F., Kub, F., Eddy Jr, ., R, C. Characterization of As-Deposited and Sintered Yttrium Iron Garnet Thick Films Formed by Aerosol. Appl. Phys. Express. 7, 035501 (2014).
- Lee, D. -. W., Nam, S. -. M. Factors Affecting Surface Roughness of Al2O3 Films Deposited on Cu Substrates by an Aerosol Deposition Method. J. of Ceramic Proc. Research. 11, 100 (2010).
- Glass, H. L., Elliott, M. T. Attainment of the Intrinsic FMR Linewidth in Yttrium Iron Garnet Films Grown by Liquid Phase Epitaxy.J. Cryst. Growth. 34, 285 (1976).
