Láser infrarrojo Nd:YAG como alternativa viable al láser excimer: estudio de caso de YBCO | Grupo Co., Ltd del gas a granel de Huizhou

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3882 (2023) Citar este artículo

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Informamos sobre el crecimiento y caracterización de películas delgadas de óxido complejo epitaxial YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) y heteroestructuras relacionadas exclusivamente. mediante deposición de láser pulsado (PLD) y utilizando la primera armónica Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) fuente de láser pulsado (\ (\lambda\) = 1064 nm). Las heteroestructuras de película delgada epitaxial de YBCO de alta calidad muestran propiedades superconductoras con una temperatura de transición \(\sim\) de 80 K. En comparación con los láseres excimer, cuando se utilizan láseres Nd:YAG, las condiciones óptimas de crecimiento se logran en una gran distancia entre objetivo y sustrato. distancia d. Estos resultados demuestran claramente el uso potencial de la primera fuente láser armónica Nd:YAG como alternativa a los láseres excimer para la comunidad de PLD de película delgada. Su compacidad, así como la ausencia de problemas de seguridad relacionados con gases venenosos, representan un gran avance en la deposición de compuestos complejos de múltiples elementos en forma de películas delgadas.

Las películas delgadas de óxido de perovskita albergan innumerables propiedades en electrónica, magnetismo y óptica simplemente ajustando/dopando los elementos catiónicos, así como el contenido de oxígeno1,2,3,4,5,6. La deposición por láser pulsado (PLD) se ha convertido en una instalación de crecimiento de películas delgadas de última generación en la comunidad de óxidos después de la demostración exitosa de la transferencia estequiométrica del superconductor YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) Óxido complejo O\(_{7-\delta }\) (YBCO)7 mediante láser excímero KrF de longitud de onda \(\lambda\) = 248 nm. Desde entonces, los láseres excimer KrF se han convertido en una herramienta dominante para el crecimiento de películas delgadas de óxido complejo de muy alta calidad8,9,10,11 con aplicaciones que van desde la investigación de materiales fundamentales hasta industrias avanzadas de fabricación de semiconductores para dispositivos12,13,14. Sin embargo, surgen graves limitaciones con respecto al uso de láseres excimer en laboratorios de PLD en todo el mundo. Los láseres excimer están compuestos en gran parte por una mezcla de gases nobles (96% Ne, 3,5% Kr/Ar) y el 0,05% restante pertenece a la mezcla de halógenos (es decir, F/Cl) en He, presente en la cámara de descarga. El uso de láseres excimer a menudo plantea preocupaciones sobre cuestiones de seguridad (por ejemplo, la presencia de gases altamente venenosos), lo que requiere infraestructuras costosas para permitir su uso. Además, debido al aumento constante de la demanda y la escasez de recursos de gas noble, el coste de la mezcla de gases premezclados KrF ha aumentado enormemente en los últimos años. En este sentido, para reducir su consumo, las industrias también han incorporado formas de reciclar estos gases y han alcanzado hasta el 85% del índice de reciclaje de gas con una producción estable de energía láser15. Sin embargo, el tiempo de espera para las mezclas de gases premezcladas ha aumentado considerablemente en los últimos años, lo que no sólo dificulta el buen desarrollo de las actividades diarias sino que también aumenta enormemente los costos de mantenimiento de los láseres.

Para reducir los costes y los largos tiempos de espera derivados de la falta de disponibilidad de mezclas de gases nobles para los láseres excimer, los científicos de materiales han comenzado a incorporar Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} en estado sólido. Láseres \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) en el proceso de crecimiento del PLD. El láser Nd:YAG utiliza cristales inorgánicos para la producción de radiación láser de alta energía, descartando así cualquier problema de seguridad relacionado con la presencia de gases venenosos. La frecuencia fundamental del láser Nd:YAG está en 1064 nm en la región infrarroja (IR) del espectro de luz, pero al introducir los generadores de cristal armónico óptico, la longitud de onda del láser se puede llevar a la región ultravioleta (UV), es decir , 266 nm (cuarto armónicos) y 213 nm (quinto armónicos) imitando las longitudes de onda del láser del excimer. Aunque el uso de generadores de armónicos superiores ha permitido el crecimiento exitoso de películas delgadas de óxido16,17,18, existen limitaciones como una enorme reducción en la energía de salida del láser mediante el uso de generadores de armónicos que se sabe que posiblemente resulten en una ablación incongruente del objetivo19 y falta de homogeneidad. en el perfil del haz láser los han hecho menos atractivos respecto a los láseres excimer.

Aprovechando los recientes avances tecnológicos en los láseres Nd:YAG, como la uniformidad en el perfil general del haz láser20 y la alta estabilidad en la energía láser, pudimos depositar películas delgadas de óxido complejo estequiométrico de alta calidad utilizando solo sus armónicos fundamentales en 1064 nm. En particular, la mejora significativa en la tecnología láser Nd:YAG ha hecho posible producir películas extremadamente suaves y evitar/minimizar el número de gotas en la superficie de la película. En nuestros trabajos anteriores, hemos demostrado con éxito la utilización de armónicos fundamentales (1064 nm) en el crecimiento de óxidos simples epitaxiales como TiO\(_{2}\)20 y V\(_{2}\)O\( _{3}\)21,22,23,24. Los experimentos de microscopía de túnel de barrido (STM) y espectroscopia de fotoemisión de resolución angular (ARPES) han indicado la excelente calidad de la superficie de la película delgada creada por el láser Nd:YAG, en comparación con los mismos materiales cultivados por el láser excimer KrF25,26,27,28 . En este artículo, presentamos otra aplicación potencial del láser Nd:YAG que opera en sus armónicos fundamentales, a saber, la transferencia estequiométrica de sistemas complejos de perovskita de óxido como YBCO y LaNiO\(_{3}\) (LNO). El uso de este tipo de láser en el crecimiento de óxidos complejos de muy alta calidad representa un gran avance en el proyecto y realización de instalaciones PLD con costes de mantenimiento muy bajos y problemas de seguridad insignificantes en cuanto a la presencia de gases venenosos.

El esquema de nuestro sistema PLD que utiliza una fuente láser Nd:YAG se muestra en la Fig. 1. A diferencia del láser excimer KrF, caracterizado por un gabinete muy grande y pesado (por ejemplo, 1182 \(\times\) 375 \(\times\) 793 mm y 275 kg de peso), el cabezal láser de un láser Nd:YAG se puede colocar justo delante de la ventana de entrada. Esta posibilidad está permitida debido a las dimensiones/peso considerablemente más pequeños de un cabezal láser Nd:YAG típico. Por ejemplo, el cabezal láser del Innolas SpitLight Compact 400 que se utiliza en nuestro laboratorio es 390 \(\times\) 135 \(\times\) 91 mm ((L \(\times\) W \(\times\) H) en dimensiones para un peso total de unos 10 kg.

Representación esquemática de nuestro sistema PLD equipado con el láser Nd:YAG, máscara láser y lente de enfoque (a) (también se muestra la trayectoria láser típica del láser excimer KrF; otras posibles configuraciones geométricas del posicionamiento del cabezal láser (b y c) .

Su posicionamiento no requiere, por lo tanto, el uso de espejos reflectantes para guiar los pulsos láser dentro de la cámara de deposición, permitiendo así cualquier geometría posible, como desde arriba o en las planas que se muestran en a, b y c de la Fig. 1, respectivamente. . Además, se permite el uso de toda la energía de salida del láser. La energía de salida del láser se fija en aproximadamente 700 mJ con un diámetro de haz de aproximadamente 6 mm y una frecuencia de repetición máxima de 10 Hz. Se pueden obtener fácilmente tasas de repetición más pequeñas regulando la apertura de la cavidad óptica y el número real de disparos de láser en un tiempo determinado. Es crucial subrayar la extremadamente alta estabilidad de la energía del pulso láser (es decir, \(< 0,7\%\)), lo que hace que la tasa de ablación también sea muy estable a lo largo del tiempo.

A diferencia de los láseres excimer KrF, donde la energía de salida del láser es controlable, la falta de capacidad del láser Nd:YAG para ajustar la energía se ha evitado mediante la adopción de un protocolo de proceso específico para el crecimiento/optimización de películas delgadas epitaxiales. De hecho, para reducir la fluencia total del pulso láser, se utiliza como máscara láser una pieza de cerámica de alúmina con un orificio de diámetro variable (por ejemplo, 1\(-\)2 mm o mayor/menor). Después de eso, se colocó una lente de enfoque en la trayectoria del láser para enfocar los pulsos del láser en los objetivos en un ángulo de incidencia de 45\(^{\circ }\).

YBCO pertenece a la familia de los cupratos y es conocido por su alta temperatura crítica superconductora T\(_{c}\) de aproximadamente \(\sim\) 90 K. El YBCO a granel tiene una estructura cristalina ortorrómbica (a = 0,384 nm, b = 0.393 nm, c = 1.182 nm, \(\alpha = \beta = \gamma = 90^{\circ }\)) y el grupo espacial pertenece a Pmmm29. Sin embargo, el crecimiento de películas delgadas epitaxiales de YBCO de alta calidad es la máxima prioridad para permitir sus propiedades superconductoras. Ya se han realizado varios trabajos sobre el crecimiento de películas delgadas epitaxiales de YBCO de muy alta calidad sobre diversos sustratos mediante la técnica PLD y utilizando exclusivamente láser excimer KrF. Como alternativa al uso de láseres excimer, muy pocos grupos también han probado la deposición de películas delgadas epitaxiales de YBCO sobre sustratos de SrTiO\(_{3}\) o MgO mediante el uso de láser Nd:YAG con 3er (\(\lambda \)=355 nm)30 o 4º (\(\lambda\)=266 nm)16,31,32 armónicos como fuente láser pulsada, respectivamente, ambos en el rango UV del espectro de radiación.

En contraste con las investigaciones anteriores, aquí utilizamos una vez más el láser Nd:YAG como fuente de láser pulsado que opera en sus armónicos fundamentales (es decir, \(\lambda\)=1064 nm) para demostrar el crecimiento de películas epitaxiales de YBCO cultivadas. sobre sustrato LaAlO\(_{3}\) (LAO) [0 0 1]. Las propiedades cristalográficas de las películas de YBCO se comprobaron mediante difracción de rayos X (DRX). En la Fig. 2, el escaneo simétrico típico \(\theta -2\theta\) muestra solo los picos YBCO (0 0 l) indicados como \(\blacklozenge\), lo que indica un crecimiento altamente texturizado a lo largo de la dirección del eje c. Aparte de los picos del sustrato LAO (indicados por \(\pastilla\)), no se pueden observar más rastros de picos de impureza o fases secundarias.

\(\theta -2\theta\) Escaneo XRD de película YBCO cultivada en sustrato LAO [0 0 1].

El parámetro de red fuera del plano calculado a partir de la reflexión de Bragg (0 0 2) es \(\sim\) 1,176 nm, muy cercano a su constante de red volumétrica29. Para evaluar el efecto del tratamiento térmico posterior a la deposición, se investigaron mediante el método de las cuatro sondas las propiedades de transporte de las películas de YBCO tal como crecieron, así como las diferentes condiciones posteriores al recocido.

Las muestras crecidas mostraron una T\(_{c} \sim\) 8 K muy baja. Esta característica puede explicarse por la baja presión de deposición de oxígeno, es decir, 5 \(\times \,10^{-2}\) mbar, lo que resulta en deficiencias de oxígeno en las películas de YBCO en crecimiento. Para compensar las deficiencias de oxígeno, las películas se recocieron posteriormente a diferentes temperaturas de recocido y condiciones de presión de oxígeno. Las películas que fueron ligeramente recocidas (500 \(^{\circ }\)C, 100 mbar de oxígeno, 60 min) muestran una mejora en T\(_{c}\) de 8 a 62 K. Mientras que, las La película que se sometió a un post-recocido extremo (600 \(^{\circ }\)C, 300 mbar de oxígeno, 60 \(-\) 80 min) mostró un comportamiento superconductor típico con una pendiente lineal, y su T\(_{c }^{inicio}\) aumentó de 55 a 93 K, lo que indica un aumento en la oxigenación de la película.

Se presentan imágenes SEM de las películas delgadas de YBCO cultivadas utilizando (a) láser KrF Excimer y (b y c) láser de estado sólido Nd: YAG del primer armónico. (d) Comparación de los espectros EDS de un objetivo YBCO (negro) y una película YBCO (roja) cultivada por el primer láser armónico Nd:YAG.

Para evaluar la calidad de la superficie microestructural de las películas delgadas producidas con el primer láser armónico Nd:YAG, se realizó una comparación de imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) entre las películas cultivadas con el láser KrF Excimer convencional y el láser sólido Nd:YAG de nueva generación. El láser de estado se presenta en la Fig. 3. A diferencia de informes anteriores sobre la aparición de gotitas en películas de YBCO cultivadas con PLD33,34,35, la calidad de la superficie de la película de YBCO cultivada con el primer láser armónico Nd:YAG, como se muestra en la Fig. 3b yc, es suave y libre de gotas, similar a la superficie de la película cultivada con el láser KrF (como se muestra en la Fig. 3a). La transferencia estequiométrica de elementos se puede verificar comparando los perfiles de línea de espectroscopía de dispersión de energía (EDS) del objetivo YBCO y la película YBCO, que son idénticos dentro de las limitaciones de la instrumentación, como se demuestra en la figura 3d. El análisis estructural, de propiedades superconductoras, microestructural y de composición de las películas YBCO revela que los láseres Nd:YAG de nueva generación son igualmente comparables a la fuente láser tradicional KrF.

Para evaluar más a fondo la ablación congruente de materiales de óxidos complejos multielementales mediante láseres Nd:YAG que funcionan en sus primeros armónicos, LaNiO\(_{3}\) (LNO) altamente metálico y CeO\(_{2}\) aislante. ) también se depositaron sobre sustrato LAO. Debido a su carácter metálico, el LNO es uno de los materiales de mayor importancia tecnológica y se emplea frecuentemente como contraelectrodo en dispositivos36,37,38. De manera diferente, el CeO\(_{2}\) aislante, además de ser ampliamente investigado para muchas aplicaciones respetuosas con el medio ambiente, como pilas de combustible de óxido sólido, división de agua para la producción de hidrógeno y sensores de oxígeno39,40,41, se ha utilizado ampliamente como una función de capa tampón para el crecimiento de YBCO en forma de películas delgadas42.

LNO tiene un grupo espacial trigonal R-3c con una constante de red a = 0,54535 nm y c = 1,31014 nm43, pero a lo largo de la dirección [012] se puede identificar una estructura de perovskita casi cúbica con una constante de red de 0,383 nm, lo que la hace fácilmente adaptable. a la mayoría de los sistemas de perovskita. La estructura general del CeO\(_{2}\) es un tipo de fluorita cúbica con un parámetro de red de a = 0,54097 nm44. Cuando CeO\(_{2}\) se cultiva en LAO, la celda de la red en el plano gira 45\(^{\circ }\) con un parámetro de red en el plano de aproximadamente 0,38252 nm, por lo tanto, muy cerca de aquellos del sustrato (es decir, 0,379 nm). Por lo tanto, ambos materiales son candidatos prometedores en el crecimiento de heteroestructuras multifuncionales que albergan una capa superconductora de YBCO. A partir del escaneo XRD \(\theta -2\theta\) angular amplio (paneles a y b en la Fig. 4), tanto las películas de LNO como de CeO\(_{2}\) muestran solo una única fase cristalina de ( 0 0 l) reflejos sin indicios de fases de impurezas secundarias.

\(\theta - 2\theta\) Difracción de rayos X fuera del plano de las películas de LNO (a) y CeO\(_{2}\) (b) cultivadas en sustrato LAO [0 0 1], que muestra sólo (0 0 l) picos de difracción; Curvas típicas de reflectividad de rayos X de ángulo bajo de películas LNO (c) y CeO\(_{2}\) (d) que muestran oscilaciones claras de hasta \(2\theta\) de 4\(^{\circ }\ )–5\(^{\circ }\).

La constante de red fuera del plano calculada de la película LNO es \(\sim\) 0,391 nm, que es mayor que la constante de red en masa, lo que confirma la tensión de compresión impuesta por el sustrato LAO. Por el contrario, la constante reticular fuera del plano de la película de CeO\(_{2}\) es \(\sim\) 0,541 nm, lo que infiere la relajación sustancial de las películas y la ausencia de cualquier tensión inducida por el sustrato. Mecanismos impuestos por el sustrato.

Luego se investigaron el espesor de la película y la rugosidad de su superficie mediante reflectividad de rayos X de ángulo bajo (XRR), como se muestra en los paneles (c) y (d) de la Fig. 4. Las simulaciones de XRR de ángulo bajo se realizaron mediante el Paquete IMD del software XOP45,46. Además de la evaluación del espesor de las capas crecidas, las curvas XRR proporcionan una estimación directa de la rugosidad de la superficie, variando su intensidad en su valor cada vez mayor. En el caso de LNO, las oscilaciones XRR se pueden ver para valores de 2\(\theta\) hasta 5\(^{\circ }\) y por encima de él, las oscilaciones caen por debajo de la sensibilidad experimental del difractómetro de rayos X. . De manera similar, en el caso de la película CeO\(_{2}\), se registraron oscilaciones XRR de hasta 2\(\theta\) valores de aproximadamente 4,5\(^{\circ }\), y, de manera similar al LNO En este caso, por encima de este ángulo, las oscilaciones cayeron por debajo de la sensibilidad experimental del difractómetro de rayos X. Aunque el algoritmo de ajuste XRR se basa en una fuente de rayos X monocromatizada con heterogeneidades laterales insignificantes del haz (mientras utilizamos un haz de rayos X no monocromatizado de laboratorio), la rugosidad cuadrática media (RMS) de la superficie fue, por lo tanto, Se estima que es \(\sim\)0,4 nm, correspondiente a aproximadamente una sola celda unitaria LNO/CeO\(_{2}\) y, por lo tanto, infiere una rugosidad superficial muy baja para ambas capas funcionales.

Al ser LNO metálico a temperatura ambiente, se puede obtener una caracterización más detallada de las propiedades estructurales y electrónicas del LNO mediante difracción de electrones de baja energía (LEED) y microscopía de túnel de barrido (STM). La Figura 5a muestra LEED con puntos de difracción muy nítidos que indican el plano de la red cuadrada sin ninguna fase secundaria presente en las películas. Además, el análisis de topografía STM in situ en LNO (Fig. 5b) muestra una superficie de película muy plana con una rugosidad superficial RMS de aproximadamente \(\sim\) 0,3 nm, es decir, equivalente a menos de una rugosidad de celda unitaria. Finalmente, la medición del transporte eléctrico dependiente de la temperatura en la película LNO (Fig. 5c) muestra un comportamiento metálico hasta 77 K y la resistividad medida a 300 K es \(\sim\) 0,26 m\(\Omega\) cm, que es comparable con las películas cultivadas con láseres KrF.

(a) LEED de una película LNO tomada a 135 eV muestra puntos de difracción nítidos con una red cuadrada, (b) topografía STM de la película y (c) su resistividad típica dependiente de la temperatura.

Hasta ahora hemos ilustrado el crecimiento epitaxial de capas de óxido individuales. Para resaltar aún más la adaptabilidad y el desarrollo de la fuente de láser pulsado Nd:YAG, se ha depositado en LAO una pila de heteroestructura (Figura 6(c)) compuesta por capas de YBCO, CeO\(_{2}\) y LNO. 0 0 1] sustrato. El crecimiento de cada capa se realizó en condiciones óptimas. Todas las capas se depositaron a la misma temperatura del sustrato, es decir, 720 \(^{\circ }\)C, mientras que la presión de fondo de oxígeno para el crecimiento de cada capa era diferente. En particular, LNO, CeO\(_{2}\) e YBCO se cultivaron a 10\(^{-1}\), 5\(\times \,\,10^{-4}\), y 5\(\times \,\,10^{-2}\) mbar, respectivamente. Para oxigenar la capa funcional YBCO, las muestras se recocieron posteriormente durante aproximadamente 60 a 80 minutos a 600 \(^{\circ }\)C en una atmósfera de oxígeno a 300 mbar.

La XRD se utilizó para evaluar la calidad estructural de la pila de heteroestructura depositada sobre el sustrato LAO. Como era de esperar, solo (0 0 l) picos orientados de YBCO (\(\blacklozenge\)), CeO\(_{2}\) (\(\blacktriangle\)) y LNO (\(\blacktriangledown\)) Las capas se vieron en la Fig. 6a, lo que confirma la orientación preferencial a lo largo de la dirección cristalográfica [0 0 1] para todas las capas. Además, la ausencia de otros picos de difracción además de los relacionados con las tres capas descartó la presencia de fases espurias.

(a) escaneo \(\theta -2\theta\) de la heteroestructura YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO cultivada en sustrato LAO [0 0 1], (b) un HAADF-STEM transversal imagen y (c) una representación esquemática de la pila de heteroestructura YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO/LAO; (d) resistencia normalizada a temperatura ambiente versus comportamiento de temperatura de la pila YBCO/CeO\(_{2}\) e YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO que muestra T\(_{c}^{cero } \sim\) 80 K y 70 K respectivamente.

Se utilizó microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF) para investigar la nanoestructura de la película. En la Fig. 6b, la imagen transversal HAADF-STEM de la película resalta las interfaces epitaxiales abruptas y de alta calidad con el sustrato subyacente y entre las diferentes capas de óxido. La estructura de la película en toda la imagen es homogénea y libre de defectos importantes. En particular, no se observó evidencia de segregación de gotas. El espesor medido de las capas de óxido es YBCO de 100 nm, CeO\(_{2}\) de 50 nm y LNO de 170 nm. La Figura 6d muestra la resistencia a la dependencia de la temperatura de la pila YBCO/CeO\(_{2}\)/LAO y YBCO/CeO\(_{2}\)/LNO/LAO, respectivamente. La resistencia muestra una dependencia lineal de la resistividad desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de transición superconductora sin signos de curvatura hacia arriba o hacia abajo, como es típico en muestras dopadas casi de manera óptima47,48. La capa de YBCO cultivada sobre el sustrato LAO tamponado con CeO\(_{2}\) demostró superconductividad a aproximadamente 80 K, mientras que la Tc de la pila de CeO\(_{2}\)/LNO/LAO disminuyó ligeramente a 70 K. Esta disminución de Tc puede atribuirse a defectos estructurales en la estructura tricapa. Sin embargo, en ambos casos, la fase superconductora de la capa superior de YBCO muestra una transición brusca a una resistencia cero.

Hemos establecido con éxito los protocolos de crecimiento de películas delgadas de óxido complejo epitaxial mediante el uso del primer láser armónico Nd:YAG que opera a una longitud de onda \(\lambda\) = 1064 nm. Gracias a las cualidades del láser de estado sólido de nueva generación, como la estabilidad, la homogeneidad y la longevidad de los láseres, se logran películas de óxido de buena calidad con alta reproducibilidad. El coste general de mantenimiento se reduce enormemente ya que no se requieren generadores ópticos de armónicos ni mezclas de gases nobles/venenosos con láseres excimer, lo que es aún más respetuoso con el medio ambiente. Como resultado, los láseres de estado sólido Nd:YAG de primeros armónicos son sin duda un poderoso sustituto de los láseres excimer tradicionales para la deposición de películas delgadas de óxido.

Los armónicos fundamentales Nd:YAG (\(\lambda\) = 1064 nm) se utilizaron como fuente de láser pulsado para la deposición de sistemas de óxidos complejos ternarios. El tamaño prístino del punto del disparo láser es de aproximadamente 6 mm de diámetro con una energía típica de 700 mJ, lo que corresponde a una densidad de energía de aproximadamente 2,5 J cm\(^{-2}\) para el haz desenfocado. Con el doble objetivo de evitar la región periférica de los puntos láser y reducir la tasa de crecimiento por disparo de láser, se utilizó una máscara óptica para reducir el tamaño del punto de 6 a 2 mm de diámetro.

Se depositaron películas delgadas epitaxiales de YBCO, LNO y CeO\(_{2}\) sobre el sustrato LAO [0 0 1] mediante un láser de estado sólido Nd:YAG que opera en sus primeros armónicos. Todas las películas se depositaron a una temperatura del sustrato de 720 \(^{\circ }\)C y utilizando una velocidad de repetición láser de 1 Hz. La tasa de deposición típica fue de aproximadamente 0,35 nm min\(^{-1}\). Después de la deposición, las películas delgadas de YBCO se recocieron posteriormente a varias temperaturas de recocido (500 \(^{\circ }\)C y 600 \(^{\circ }\)C) y presiones de oxígeno (100 mbar y 300 mbar). durante unos 60 a 80 min. En comparación con las películas depositadas por los láseres KrF Excimer donde la distancia típica d objetivo-sustrato se mantiene entre 4 y 5 cm, se obtuvieron condiciones de crecimiento óptimas con un valor ad de aproximadamente 8 a 10 cm para las películas depositadas por Nd: Láser YAG.

La estructura cristalina, el espesor y la rugosidad de la superficie de las películas se probaron mediante un difractómetro Panalytical X'pert de cuatro círculos con una fuente de radiación Cu K\(_{\alpha _{1}}\). La morfología de la superficie y el ordenamiento cristalino de largo alcance fueron investigados mediante STM y LEED in situ, respectivamente. Se utilizó un método estándar de Van-der-Paw de cuatro sondas para investigar las propiedades de transporte eléctrico de las películas dependientes de la temperatura.

La morfología de la superficie de las películas de YBCO se estudió utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) con cañón de emisión de campo (FEG) Supra 40 equipado con una columna Gemini y un detector de lente interna, lo que proporciona una relación señal-ruido mejorada. La composición química de las muestras se analizó mediante experimentos de espectroscopía de dispersión de energía (EDS) utilizando un detector de deriva de silicio X-Act sin Oxford LN2. Luego, los resultados se procesaron utilizando el software Aztec para calcular la composición química de las muestras.

Los experimentos HAADF-STEM se realizaron utilizando un TEM JEOL 2010 UHR equipado con una pistola de emisión de campo y operado a 200 kV. El análisis de datos de microscopía se realizó con Gatan Microscopy Suite 3.20.1314.0 (GMS). Las imágenes HAADF-STEM se adquirieron utilizando un ángulo de iluminación de 12 mrad y un ángulo de recolección de 88 \(\le 2\theta \le\)234 mrad. Las muestras de TEM transversales se prepararon con una técnica de pulido convencional seguida de formación de hoyuelos y fresado con iones de Ar. Se ha demostrado que este procedimiento de preparación minimiza las modificaciones estructurales y químicas de muestras TEM transversales y se ha aplicado con éxito a otros sistemas de película delgada de óxido49,50,51.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Coll, M. y col. Hacia la electrónica de óxido: una hoja de ruta. Aplica. Navegar. Ciencia. 482, 1–93. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.312 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Yao, J., Zheng, Z. y Yang, G. Producción de materiales 2D de gran superficie para fotodetectores de alto rendimiento mediante deposición de láser pulsado. Prog. Madre. Ciencia. 106, 100573. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100573 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Park, D.-S. et al. La aparición del ordenamiento magnético en interfaces de óxidos complejas sintonizadas por defectos. Nat. Comunitario. 11, 3650. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17377-0 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Park, D.-S. et al. Piezoelectricidad gigante inducida en óxidos centrosimétricos. Ciencia 375, 653–657. https://doi.org/10.1126/science.abm7497 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Middey, S. y col. Compensación de polaridad en películas ultrafinas de óxidos complejos: el caso de un niquelato de perovskita. Ciencia. Rep. 4, 6819. https://doi.org/10.1038/srep06819 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, X. y col. Estado de Mott de transferencia de carga interfacial en superredes de iridato-níquel. Proc. Nacional. Acad. Ciencia. 116, 19863–19868. https://doi.org/10.1073/pnas.1907043116 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dijkkamp, D. y col. Preparación de películas delgadas superconductoras de óxido de Y-Ba-Cu mediante evaporación con láser pulsado a partir de material a granel con alto contenido de Tc. Aplica. Física. Letón. 51, 619–621. https://doi.org/10.1063/1.98366 (1987).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Venkatesan, T. Deposición por láser pulsado: ¿invención o descubrimiento? J. Física. D Aplic. Física. 47, 034001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/3/034001 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Chen, A. y col. Evolución de la microestructura, deformación y propiedades físicas en películas de nanocompuestos de óxido. Ciencia. Rep. 4, 5426. https://doi.org/10.1038/srep05426 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Moyer, JA, Gao, R., Schiffer, P. y Martin, LW Crecimiento epitaxial de películas delgadas de ferrita de espinela altamente cristalinas sobre sustratos de perovskita para dispositivos totalmente de óxido. Ciencia. Rep. 5, 10363. https://doi.org/10.1038/srep10363 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Benetti, D. y col. Combinación de pulverización catódica con magnetrón y deposición por láser pulsado de películas delgadas de TiO 2 y BFCO. Ciencia. Rep. 7, 2503. https://doi.org/10.1038/s41598-017-02284-0 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Vallès, F. et al. Optimización de la fijación de vórtices en películas superconductoras YBa2Cu3O7-x hasta campos magnéticos elevados. Comunitario. Madre. 3, 45. https://doi.org/10.1038/s43246-022-00266-y (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Khan, MZ y cols. Isotropía de fijación de flujo mejorada mediante una red de defectos de tamaño nanométrico sintonizada en películas superconductoras de YBa2Cu3O6+x. Ciencia. Rep. 9, 15425. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51978-0 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sí, MM et al. Control de la red de defectos de tamaño nanométrico en películas delgadas superconductoras por tamaño de grano objetivo. Ciencia. Rep. 11, 6010. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85304-4 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yashiro, M. y col. Tecnología de reducción del uso de gas láser excimer para la fabricación de semiconductores. En Proc. SPIE 10147, Microlitografía óptica XXX (eds Erdmann, A. y editor Kye, J.) 101471O (2017). https://doi.org/10.1117/12.2257972.

Ono, I. et al. Fabricación de alto rendimiento de material de conductores recubiertos de YBCO mediante sistema Nd:YAG-PLD. Física. Procedimiento 27, 216–219. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.03.449 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Vasiliu, C. y col. Películas finas de materiales oxídicos avanzados obtenidas mediante deposición con láser pulsado. Aplica. Navegar. Ciencia. 253, 8278–8281. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.02.115 (2007).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Shimizu, R., Sugiyama, I., Nakamura, N., Kobayashi, S. & Hitosugi, T. Deposición por láser pulsado de películas delgadas de óxido mediante el quinto armónico de un Nd:Y\(_{2}\)Al\ Láser (_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG). AIP Avanzado. 8, 095101. https://doi.org/10.1063/1.5048441 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Orgiani, P., Ciancio, R., Galdi, A., Amoruso, S. & Maritato, L. Propiedades físicas de La\(_{0.7}\)Ba\(_{0.3}\)MnO\(_{ 3-\delta }\) películas delgadas de óxido complejo cultivadas mediante la técnica de deposición con láser pulsado. Aplica. Física. Letón. 96, 032501. https://doi.org/10.1063/1.3292588 (2010).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Chaluvadi, SK y cols. Deposición por láser pulsado de óxidos y películas delgadas metálicas mediante una fuente láser Nd:YAG que opera en su 1er armónico: enfoques y avances recientes. J. Física. Madre. 4, 032001. https://doi.org/10.1088/2515-7639/abe661 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Polewczyk, V. y col. Ajuste de las propiedades magnéticas de las heteroestructuras V\(_{2}\)O\(_{3}\)/CoFeB a través de la transición estructural V\(_{2}\)O\(_{3}\). Física. Rev. Mater. 5, 034413. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.5.034413 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Caputo, M. et al. Transición de metal a aislante en la superficie de películas delgadas V\(_{2}\)O\(_{3}\): una vista in situ. Aplica. Navegar. Ciencia. 574, 151608. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151608 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Mazzola, F. et al. Desenredar propiedades estructurales y electrónicas en películas delgadas V\(_{2}\)O\(_{3}\): una auténtica transición de Mott que rompe la asimetría. Nano Lett. 37, 5990–5996. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02288 (2022).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Polewczyk, V. y col. Propiedades químicas, estructurales y electrónicas de películas ultrafinas de V\(_{2}\)O\(_{3}\) sobre sustrato de Al\(_{2}\)O\(_{3}\): implicaciones en Transiciones tipo Mott. Aplica. Navegar. Ciencia. 610, 155462. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155462 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Gobaut, B. y col. Papel de la presión de deposición de oxígeno en la formación de estados de defecto de Ti en películas delgadas de TiO\(_{2}\) (001) anatasa. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 9, 23099–23106. https://doi.org/10.1021/acsami.7b03181 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Bigi, C. y col. Comportamiento distinto de portadores localizados y deslocalizados en anatasa TiO\(_{2}\) (001) durante la reacción con O\(_{2}\). Física. Rev. Mater. 4, 025801. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.025801 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Bigi, C. y col. Información directa sobre la estructura de bandas de SrNbO\(_{3}\). Física. Rev. Mater. 4, 025006. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.025006 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Troglia, A. et al. Evidencia de un gas de electrones 2D en una celda unitaria de anatasa TiO\(_{2}\) (001). Adv. Ciencia. 9, 2105114. https://doi.org/10.1002/advs.202105114 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Capponi, JJ y cols. Estructura del superconductor de 100 K Ba\(_{2}\)YCu\(_{3}\)O\(_{7}\) entre (5\(\div\)300) K mediante difracción de polvo de neutrones. Eurofis. Letón. (EPL) 3, 1301–1307. https://doi.org/10.1209/0295-5075/3/12/009 (1987).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Khare, N., Buckley, JR, Bowman, RM, Donaldson, GB y Pegrum, CM Estudios de generación de armónicos en películas delgadas de YBCO sometidas a ablación con láser cultivadas en 100 MgO. Pramana J. Phys. 46, 283–288. https://doi.org/10.1007/BF02846915 (1996).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kusumori, T. & Muto, H. Fabricación de películas epitaxiales YBCO de alta calidad mediante ablación utilizando el cuarto armónico del láser Nd:YAG. Física. C 321, 247-257. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(99)00352-4 (1999).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Ichino, Y. et al. Posibilidad del método Nd:YAG-PLD para fabricar conductores recubiertos con REBCO. Traducción IEEE. Aplica. Supercond. 21, 2949–2952. https://doi.org/10.1109/TASC.2010.2091472 (2011).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Norton, DP Síntesis y propiedades de materiales de película delgada de óxido electrónico epitaxial. Madre. Ciencia. Ing. R. Rep. 43, 139–247. https://doi.org/10.1016/j.mser.2003.12.002 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Mozhaev, P., Rönnung, F., Komissinskii, P., Ivanov, Z. & Ovsyannikov, G. Formación de partículas en la superficie de la película delgada de YBCO: efecto de la estequiometría y el material del sustrato. Física. C 336, 93-101. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(00)00246-X (2000).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Dai, XH y col. Películas de YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7 \delta }\) preparadas mediante deposición con láser pulsado en una atmósfera de mezcla de O2/Ar. Aplica. Física. A 126, 895. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03690-4 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Middey, S. y col. Física de películas ultrafinas y heteroestructuras de niquelatos de tierras raras. Año. Rev. Mater. Res. 46, 305–334. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070115-032057 (2016).

Artículo ADS CAS Google Scholar

King, PDC y cols. Control a escala atómica de fases electrónicas competitivas en LaNiO\(_{3}\) ultrafino. Nat. Nanotecnología. 9, 443–447. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.59 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Di Pietro, P. et al. Evidencia espectroscópica de una transición de metal a aislante inducida por dimensionalidad en la serie Ruddlesden-Popper La\(_{n+1}\)Ni\(_{n}\)O\(_{3n+1}\) . . . . Aplicación ACS. Madre. Interfaces 13, 6813–6819. https://doi.org/10.1021/acsami.0c19577 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Montini, T., Melchionna, M., Monai, M. & Fornasiero, P. Fundamentos y aplicaciones catalíticas de materiales basados en CeO\(_{2}\). Química. Rev. 116, 5987–6041. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00603 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Yang, N. y col. Efectos del radio iónico dopante sobre la reducción del cerio en películas delgadas de óxido de cerio epitaxial. J. Física. Química. C 121, 8841–8849. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b00386 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, N. y col. Propiedades estructurales mejoradas en películas delgadas epitaxiales de Sm\(_{0.4}\)Ce\(_{0.6}\)O\(_{2-\delta }\) dopadas homogéneamente. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 12, 47556–47563. https://doi.org/10.1021/acsami.0c13495 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Miletto Granozio, F. et al. Estructura y propiedades de una clase de YBa biepitaxial basado en CeO\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) Josephson uniones. Física. Rev. B 67, 184506. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.184506 (2003).

Artículo ADS CAS Google Scholar

García-Muñoz, JL, Rodríguez-Carvajal, J., Lacorre, P. & Torrance, JB Estudio de difracción de neutrones de RNiO\(_{3}\) (R = La, Pr, Nd, Sm): estructural inducido electrónicamente cambios a lo largo de la transición metal-aislante. Física. Rev. B 46, 4414–4425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.4414 (1992).

ADS del artículo Google Scholar

Artini, C. y col. Características estructurales de ceria dopada con Sm y Gd estudiadas mediante difracción de rayos X sincrotrón y espectroscopia \(\mu\)-Raman. Inorg. Química. 54, 4126–4137. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5b00395 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Sánchez del Río, M. & Dejus, RJ XOP v2.4: Desarrollos recientes del kit de herramientas de software de óptica de rayos X. En Proc. SPIE 8141, Avances en métodos computacionales para óptica de rayos X II (eds Sanchez del Rio, M. & Chubar, O.) 814115 (2011). https://doi.org/10.1117/12.893911.

Windt, DL Software IMD para modelar las propiedades ópticas de películas multicapa. Computadora. Física. 12, 360. https://doi.org/10.1063/1.168689 (1998).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Daou, R. y col. Dependencia lineal de la temperatura de la resistividad y el cambio en la superficie de Fermi en el punto crítico pseudogap de un superconductor de alta Tc. Nat. Física. 5, 31–34. https://doi.org/10.1038/nphys1109 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Sachdev, S. ¿Dónde está el punto crítico cuántico en los superconductores de cuprato? Física. Estado Solidi B 247, 537–543. https://doi.org/10.1002/pssb.200983037 (2010).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Knez, D. y col. Revelando superestructuras de vacantes de oxígeno en películas delgadas de anatasa reducida. Nano Lett. 20, 6444–6451. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02125 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Rajak, P. y col. Evidencia de desplazamientos estructurales de iones Mn correlacionados con vacantes de oxígeno en capas muertas interfaciales de La\(_{0.7}\)Sr\(_{0.3}\)MnO\(_{3}\). Aplicación ACS. Madre. Interfaces 13, 55666–55675. https://doi.org/10.1021/acsami.1c15599 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Ciancio, R. et al. Nanoestructura de capas de interfaz enterradas en películas delgadas de TiO\(_{2}\) anatasa cultivadas sobre sustratos de LaAlO\(_{3}\) y SrTiO\(_{3}\). Nanoescala 4, 91–94. https://doi.org/10.1039/C1NR11015B (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

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Este trabajo se ha realizado en el marco de las instalaciones de Fundición y Análisis Fino de Nanociencia (NFFA-MUR Italia Progetti Internazionali). El presente estudio de ciencia de materiales fue desarrollado para satisfacer las necesidades de una propuesta de la NFFA dirigida a la espectroscopía del infrarrojo medio bajo la responsabilidad de D.Fausti, a quien agradecemos las fructíferas discusiones científicas sobre el tema. SPC y PR acusan recibo de una beca del Programa ICTP para Capacitación e Investigación en Laboratorios Italianos, Trieste, Italia.

CNR-IOM Istituto Officina dei Materiali, TASC Laboratory, Area Science Park, ss14 km 163.5, 34149, Trieste, Italia

Sandeep Kumar Chaluvadi, Shyni Punathum Chalil, Federico Mazzola, Simone Dolabella, Piu Rajak, Marcello Ferrara, Regina Ciancio, Jun Fujii, Giancarlo Panaccione, Giorgio Rossi y Pasquale Orgiani

Centro Internacional de Física Teórica (ICTP), Strada Costiera 11, 34151, Trieste, Italia

Shyni Punathum Chalil y Piu Rajak

AREA Parque Científico, Padriciano 99, 34139, Trieste, Italia

Reina Ciancio

Departamento de Física, Universidad de Milán, Via Celoria 16, 20133, Milán, Italia

Giorgio Rossi

Departamento de Ciencias Moleculares y Nanosistemas, Universidad Ca' Foscari de Venecia, 30172, Venecia, Italia

Federico Mazzola

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SKC y PO concibieron los experimentos y escribieron el borrador original; SKC, SPC y FM cultivaron las muestras; SKC, SPC y SD probaron propiedades estructurales mediante difracción de rayos X; SKC realizó la caracterización del transporte de las muestras; SKC y JF realizaron experimentos LEED y STM. PR, MF y RC realizaron los experimentos HRTEM, SEM y EDS. Todos los autores analizaron los datos, validaron los resultados y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Sandeep Kumar Chaluvadi o Pasquale Orgiani.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Chaluvadi, SK, Punathum Chalil, S., Mazzola, F. et al. Láser infrarrojo Nd:YAG como alternativa viable al láser excimer: estudio de caso de YBCO. Representante científico 13, 3882 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30887-3

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Recibido: 06 de diciembre de 2022

Aceptado: 02 de marzo de 2023

Publicado: 08 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30887-3

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