بنـــــــــام خدا
مقدمه:
فرساب لیزری یا Laser Ablation تکنیکی است در فرآیند آماده سازی مواد که از زمان اختراع لیزر در 1960 شناخته شده بوده است. پس از اختراع اولین نوع لیزر، مطالعات عملی و تئوری زیادی روی روش فرساب یا کنده کاری توسط لیزر صورت پذیرفت و پس از چند سال مشخص شد که با این روش امکان نشاندن لایه نازک مواد بر روی زیرلایه وجود دارد. این روش بکارگیری فرساب لیزری بنام Pulsed Laser Deposition یا اختصاراً PLD نامیده میشود. اولین رسوب گذاری موفق توسط این روش در فیلمهای نازک ابررسانای دمای بالا YBCO (ایتریوم-باریوم-مس اکساید) در سال 1987 انجام شد و بلافاصله پس از آن خاصیت ابررسانایی این ماده گزارش شد (توضیح درباره YBCO: این ماده که در حقیقت فرمول شیمیایی YBa2Cu3O7 دارد اولین ماده ی ابررسانایی است که در دمای بالای نقطه جوش نیتروژن (-196 °C یا 77 K) ساخته شد).
ساختار یک سیستم PLD در شکل یک ارائه شده است. عمل اولیه در این تکنیک بکارگیری پالسهای لیزر توان بالاست (مثلاً توسط یک Excimer یا یک لیزر Nd:YAG) تا مقدار بسیار کمی از ماده را از سطح ماده هدف بخار کند.
شکل یک: ساختار PLD
(توضیح درباره Excimer وNd:YAG - اکسایمر که مخفف Excited Dimer است یک مولکول شکل گرفته توسط دو مولکول کوچکتر است که طول عمر بسیار کوتاهی در حد نانوثانیه دارد. Nd:YAG یا neodymium-doped yttrium aluminium garnet با فرمول Nd:Y3Al5O12 کریستالی است که بعنوان یک محیط لیزینگ برای لیزرهای نیمه هادی استفاده میشود و برای اولین بار در 1964 در ازمایشگاه Bell ارائه شد).
چگالی انرژی جذب شده آنقدر هست که بتواند هر پیوند شیمیایی بین مولکولهای ماده را بشکند. آنچه پس از آن در واقع بوجود میاید گاز فشار بالایی است که در لایه سطحی ماده هدف ایجاد میشود. در نتیجه ی گرادیان فشار، یک جت مافوق صوت از ذرات از سطح ماده هدف خارج میشود. عملاً پروسه صورت گرفته بسیار پیچیده تر از این مطلبی است که در بالا گفتم. ابر تشکیل شده توسط ذرات انرژی عظیمی را پرتو لیزر جذب کرده و درون محفظه پلاسمای داغ یا Plume را ایجاد میکند (Plume عبارتست از مقدار زیادی گاز یا دود که از جسم یا سطحی بطرف خارج ساطع میشود). مقدار توان آستانه مورد نیاز برای ایجاد پلاسمای داغ به نوع ماده هدف، مورفولوژی آن، و طول موج و مدت زمان اعمال لیزر وابسته است، اما ممکن است این مقدار در حدود 10 تا 500 میلی وات بر سانتی متر مربع برای پالسهای لیزر اکسایمر با طول موج ماورای بنفش (UV) و دوره 10 نانو ثانیه باشد. هنگام اعمال لیزر به سطح ماده هدف باید هدف و زیرلایه را توسط موتورهایی چرخاند تا از پدیده سوراخکاری Drilling در هدف جلوگیری شود و همچنین نحوه رشد فیلم روی زیرلایه بصورت یکنواخت در سطح آن درآید.
بعد از چندصد یا چندین هزار پالس لیزر، ذرات فرساب شده یا Ablate شده روی سطح زیرلایه ای که درطرف مقابل هدف قرار دارد به اصطلاح "چگال" یا Condense میشود و فیلم نازکی از ماده هدف را تشکیل میدهد. چگالی انرژی پالس-لیزر که با Fluence نشان داده میشود و بر حسب J/cm2 سنجیده میشود یکی از مهمترین پارامترهای فرساب لیزری است.
(توضیح درباره fluence: در فیزیک فلواِنس میزان شار تابشی بوجود آمده در واحد زمان است که بر اساس تعداد ذراتی که در واحد سطح یکدیگر را قطع کرده اند معین میشود. از این واحد بویژه برای نشان دادن شدت میدان تشعشی استفاده میشود).
وقتی میزان فلواِنس بالاست، سرعت بالای تبخیر ماده در لایه نازکی از سطح بوجود میاید که بویژه در انتقال استوکيومترى stoichiometric ماده از روی یک هدف چند عنصره بسیار مفید است. PLD را میتوان هم در محیط خلاء و هم در محیطی با گازهای رقیق کننده موثر در ترکیب فیلم استفاده کرد. در صورتیکه هدف ایجاد فیلمهای اکسیدی (نظیر لایه اکتیو در سنسورهای گاز) است، اکسیژن بهترین گاز زمینه است. تحت پارامترهای مناسب پروسه (مانند فشار گاز زمینه، دمای زیرلایه، و فلواِنس لیزر)، فیلم بصورت اپیتَکسی epitaxially رشد میکند و شکل، ترکیب، میزان اتمها، خواص شیمیایی و ... فیلم (که همه اینها به اختصار استوکیومتری نامیده میشود) دقیقاً با ماده هدف یکی خواهد بود. پارامترهای پروسه همچنین بر نرخ رشد فیلم تاثیر دارند ولی وقتی فلواِنس و فاصله زیرلایه تا هدف بهینه شده باشند این نرخ تقریباً ثابت باقی میماند (تقریباً یک انگستروم بر پالس برای اکسیدهایی نظیر YBCO). در ادامه این مطلب همه مراحل پروسه PLD شامل فعل و انفعال بین لیزر و هدف، تشکیل پلاسمای داغ یا Plume، و چگالش فیلم روی زیرلایه را بصورت مشروح مرور خواهم کرد. همچنین پروژه ای را در دست دارم که بخشی از آن باید با PLD انجام شود، سعی خواهم کرد از تجربیات خود نیز در این باره بنویسم.
برای نوشتن این مطلب از بخشهایی از مقاله زیر و همچنین یادداشتهای فنی دانشگاه هلسینکی فنلاند استفاده کرده ام.
Z.W. Chen et al. Nucleation and growth of SnO2 nanocrystallites prepared by pulsed laser deposition, Appl. Phys. A 81, 959–962 (2005)
هر گونه نقل قول یا اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز میباشد.