Исследователи из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии (Empa, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) разработали новый способ получения высококачественных пьезоэлектрических тонких плёнок на изолирующих материалах при относительно низких температурах. Метод, названный Synchronized Floating Potential HiPIMS (SFP-HiPIMS), решает давнюю проблему производства тонких плёнок: как обеспечить полезным ионам достаточную энергию для улучшения плёнки, одновременно ограничивая нежелательные ионы аргона, которые могут её повредить.
Пьезоэлектрические тонкие плёнки используются в электронных компонентах, таких как радиочастотные фильтры, датчики, исполнительные механизмы и маломощные преобразователи энергии. Пьезоэлектрические материалы обладают особым свойством: они генерируют электрический заряд при деформации и изменяют форму при подаче электрического напряжения.
Исследователи из лаборатории поверхностных наук и технологий нанесения покрытий Empa основывали свою работу на методе высокомощного импульсного магнетронного распыления (HiPIMS). Это разновидность физического осаждения из паровой фазы — процесса, используемого для создания тонких покрытий путём переноса материала из твёрдого источника, называемого мишенью, на другую поверхность, называемую подложкой.
При магнетронном распылении вблизи мишени создаётся плазма. Плазма — это газ, содержащий электрически заряженные частицы, включая электроны и ионы. Ионы ударяют по мишени и выбивают из неё атомы. Затем эти атомы движутся к подложке и формируют тонкую плёнку.
В HiPIMS используются короткие мощные электрические импульсы, а не непрерывная подача тока. Эти импульсы приводят к тому, что многие атомы, высвобождаемые из мишени, становятся ионами. Поскольку ионы несут электрический заряд, их можно ускорять в направлении подложки. Их энергия помогает недавно осаждённым атомам, называемым адатомами, перемещаться по поверхности и занимать более выгодные позиции по мере роста кристалла.
Это может улучшить структуру плёнки. Однако возникает проблема, если подложка изготовлена из изолирующего материала, такого как стекло или сапфир. В отличие от проводящего материала, изолятор не позволяет легко подавать электрическое напряжение на его поверхность.
Другой метод, называемый радиочастотным смещением, может ускорять ионы на изолирующих поверхностях. Однако он также может ускорять ионы аргона из плазмы. Когда эти энергичные ионы аргона попадают в растущую плёнку, некоторые из них могут оказаться захваченными внутри неё и изменить её свойства.
«Иногда в твёрдые покрытия может быть включено несколько процентов аргона», — говорит исследователь Empa Себастьян Сиол. — «Пьезоэлектрические тонкие плёнки часто работают под высоким напряжением. Здесь такие примеси могут привести к катастрофическому электрическому пробою».
В рамках своей докторской диссертации Джотиш Патидар разработал решение, основанное на синхронизации. Разные ионы в плазме достигают подложки не одновременно. Большинство ионов аргона уже движутся к подложке до того, как нужные ионы металла покинут мишень и преодолеют пространство между мишенью и подложкой.
«Если мы подадим напряжение на подложку в точно правильный момент, мы ускорим только нужные ионы», — объясняет Сиол.
Затем исследователи нашли способ применить ту же идею на изолирующих подложках, к которым невозможно приложить внешнее напряжение. Во время каждого импульса HiPIMS электроны достигают подложки гораздо быстрее, чем более тяжёлые ионы. Это создаёт то, что исследователи описывают как «электронный душ».
Электронный душ кратковременно придаёт изолирующей подложке отрицательный электрический заряд. Это временное состояние называется плавающим потенциалом. Исследователи используют этот кратковременный отрицательный потенциал для ускорения нужных ионов металла. Тщательно контролируя время между импульсами, они могут придать полезным ионам больше энергии, одновременно ограничивая энергию ионов аргона.
Команда протестировала метод, создав тонкие плёнки нитрида алюминия-скандия, содержащие 12% скандия, на нескольких изолирующих подложках. Нитрид алюминия-скандия — это пьезоэлектрический материал, в котором часть алюминия в нитриде алюминия заменена скандием.
Исследователи обнаружили улучшения кристалличности, текстуры и остаточных напряжений плёнок. Кристалличность описывает, насколько регулярно атомы расположены в кристалле. Текстура относится к предпочтительной ориентации кристаллов в плёнке. Остаточное напряжение — это внутреннее напряжение, которое остаётся в материале после его осаждения.
Метод также позволил осуществить эпитаксиальный рост на c-срезе сапфира при температурах до 100 °C. При эпитаксиальном росте кристаллическая структура вновь осаждённого слоя повторяет упорядоченную структуру кристалла под ним. Сапфир c-среза — это определённая кристаллографическая ориентация сапфира, используемая в качестве подложки.
«С помощью нашего метода мы смогли получать пьезоэлектрические тонкие плёнки на изолирующих подложках так же хорошо, как и на проводящих», — говорит Сиол.
Исследователи утверждают, что SFP-HiPIMS может использоваться со стандартным оборудованием для осаждения и может быть адаптирован для различных материалов. Его способность создавать высококачественные плёнки при низких температурах может быть полезна для электронных и полупроводниковых компонентов, которые не выдерживают высоких температур обработки.
Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications и подали заявку на патент. Они планируют изучить сегнетоэлектрические тонкие плёнки и сотрудничать с другими исследовательскими группами по возможным применениям в фотонике и квантовых технологиях. Они также планируют продолжить разработку процесса с использованием машинного обучения и высокопроизводительных экспериментов.
TL;DR
-
Исследователи Empa разработали SFP-HiPIMS — низкотемпературный метод создания высококачественных пьезоэлектрических тонких плёнок на изолирующих материалах.
-
Метод тщательно контролирует момент достижения ионами подложки, помогая полезным ионам металла набирать энергию и ограничивая нежелательные ионы аргона.
-
«Электронный душ» кратковременно придаёт изолирующей подложке отрицательный заряд, позволяя ускорять нужные ионы.
-
Тесты с плёнками нитрида алюминия-скандия показали улучшение кристаллической структуры, текстуры и остаточных напряжений.
-
Метод также позволил осуществлять эпитаксиальный рост на c-срезе сапфира при температурах до 100 °C.
-
Таким образом, этот подход может помочь в производстве электронных и полупроводниковых компонентов, которые не выдерживают высоких температур обработки.
Эта статья была подготовлена с использованием ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование допускается законом об авторском праве и в противном случае могло бы считаться нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
