Ученые физического и химического факультетов МГУ совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» впервые исследовали процесс образования капель при импульсном лазерном осаждении плёнок оксида цинка в условиях вакуума. Рассчитаны температура и скорость твердых и жидких капель оксида цинка, при которых они закипают при попадании на подложку. С учетом тепловых потерь на излучение и теплоту фазового перехода определены условия такого закипания. Полученные результаты важны для отработки технологии получения пленок оксида цинка методом импульсного лазерного осаждения.
Метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО) широко применяется при получении тонких плёнок металлов, полупроводников, диэлектриков и является одним из основных инструментов современных нанотехнологий, используемых для получения материалов и устройств микро- и наноэлектроники. По сравнению с другими методами получения тонких плёнок метод ИЛО обладает несколькими основными преимуществами, среди которых важны возможность гибкой настройки параметров и управляемость процессов, а также простота синтеза материалов и возможность контроля толщины и свойств плёночных структур в процессе их роста. Среди множества параметров процесса ИЛО наибольшее влияние на свойства получаемых плёнок, а именно кристалличность, адгезия и шероховатость, оказывает энергия осаждаемых частиц. Во время ИЛО на подложке происходят неравновесные процессы, зависящие от энергии частиц факела, — десорбция, диффузия и нуклеация, от которых зависят конечные свойства получаемых плёнок. Наряду с преимуществами метода ИЛО существуют и некоторые недостатки, например, выброс из мишени капель осаждаемого материала, которые оседают на поверхности плёнок и оказывают влияние на их качество. В результате в процессе роста тонких плёнок с осаждением одного и того же материала с помощью метода ИЛО можно получать плёнки с различными параметрами, зависящими от режимов осаждения капель на поверхность подложки. Неустойчивость фазовой границы между расплавом и паром, конвективные процессы в жидкой фазе, расплескивание расплава под воздействием паровой фазы высокого давления приводят к выбросу расплавленных капель сферической формы микронных и субмикронных размеров.
Процесс ИЛО тонких плёнок оксида цинка из оксидных мишеней в широком диапазоне плотностей энергии лазерного излучения на мишени сопровождается выбросом большого количества капель, которые в твердом или в жидком состоянии оседают на подложку. Капли оксида цинка могут по-разному взаимодействовать с поверхностью растущей пленки. Некоторые могут прилипать к ней и переходить из жидкого состояния в твердое, в то время как другие при ударе могут закипать на поверхности, а потом застывать.
В работе, недавно опубликованной в журнале «Химическая физика и мезоскопия», исследован процесс осаждения капель из мишени оксида цинка и определены температура и начальная скорость, при которых во время роста тонкой плёнки оксида цинка методом ИЛО капли будут осаждаться в твердом или в жидком виде, включая возможность их закипания.
Впервые установлено экспериментально и подтверждено в расчетах, что в момент столкновения некоторые капли оксида цинка закипают. Был определен диапазон начальной скорости и температуры капель оксида цинка, при котором они будут осаждаться в твердом или в жидком виде, а также обеспечивающих ее закипание при столкновении с поверхностью подложки. Выяснена роль теплоты фазового перехода и потерь тепла на излучение в процессе полета капель во время ИЛО тонких плёнок оксида цинка в вакууме. Установлено, что потеря тепла в виде излучения в вакууме оказывает существенное влияние на капли микронного размера. Проведены расчёты температуры капли оксида цинка после столкновения с подложкой с учётом потерь тепла на излучение и нагрев от удара в широком диапазоне начальных скоростей и температур.
Перспективы практического применения тонких пленок оксида цинка определяются их высокой прозрачностью и незначительным электрическим сопротивлением, что обеспечивается большой шириной запрещенной зоны. «Полученные в нашей работе результаты будут использованы при создании экспериментальных образцов широкополосных источников терагерцового излучения на основе тонкоплёночных гетероструктур ферромагнетиков, антиферромагнетиков и функциональных оксидов методом ИЛО в бескапельном режиме», — рассказала аспирант физического факультета Мария Конникова.
Исследования проводились в рамках НОШ МГУ «Фотоника».
Метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО) широко применяется при получении тонких плёнок металлов, полупроводников, диэлектриков и является одним из основных инструментов современных нанотехнологий, используемых для получения материалов и устройств микро- и наноэлектроники. По сравнению с другими методами получения тонких плёнок метод ИЛО обладает несколькими основными преимуществами, среди которых важны возможность гибкой настройки параметров и управляемость процессов, а также простота синтеза материалов и возможность контроля толщины и свойств плёночных структур в процессе их роста. Среди множества параметров процесса ИЛО наибольшее влияние на свойства получаемых плёнок, а именно кристалличность, адгезия и шероховатость, оказывает энергия осаждаемых частиц. Во время ИЛО на подложке происходят неравновесные процессы, зависящие от энергии частиц факела, — десорбция, диффузия и нуклеация, от которых зависят конечные свойства получаемых плёнок. Наряду с преимуществами метода ИЛО существуют и некоторые недостатки, например, выброс из мишени капель осаждаемого материала, которые оседают на поверхности плёнок и оказывают влияние на их качество. В результате в процессе роста тонких плёнок с осаждением одного и того же материала с помощью метода ИЛО можно получать плёнки с различными параметрами, зависящими от режимов осаждения капель на поверхность подложки. Неустойчивость фазовой границы между расплавом и паром, конвективные процессы в жидкой фазе, расплескивание расплава под воздействием паровой фазы высокого давления приводят к выбросу расплавленных капель сферической формы микронных и субмикронных размеров.
Процесс ИЛО тонких плёнок оксида цинка из оксидных мишеней в широком диапазоне плотностей энергии лазерного излучения на мишени сопровождается выбросом большого количества капель, которые в твердом или в жидком состоянии оседают на подложку. Капли оксида цинка могут по-разному взаимодействовать с поверхностью растущей пленки. Некоторые могут прилипать к ней и переходить из жидкого состояния в твердое, в то время как другие при ударе могут закипать на поверхности, а потом застывать.
В работе, недавно опубликованной в журнале «Химическая физика и мезоскопия», исследован процесс осаждения капель из мишени оксида цинка и определены температура и начальная скорость, при которых во время роста тонкой плёнки оксида цинка методом ИЛО капли будут осаждаться в твердом или в жидком виде, включая возможность их закипания.
Впервые установлено экспериментально и подтверждено в расчетах, что в момент столкновения некоторые капли оксида цинка закипают. Был определен диапазон начальной скорости и температуры капель оксида цинка, при котором они будут осаждаться в твердом или в жидком виде, а также обеспечивающих ее закипание при столкновении с поверхностью подложки. Выяснена роль теплоты фазового перехода и потерь тепла на излучение в процессе полета капель во время ИЛО тонких плёнок оксида цинка в вакууме. Установлено, что потеря тепла в виде излучения в вакууме оказывает существенное влияние на капли микронного размера. Проведены расчёты температуры капли оксида цинка после столкновения с подложкой с учётом потерь тепла на излучение и нагрев от удара в широком диапазоне начальных скоростей и температур.
Перспективы практического применения тонких пленок оксида цинка определяются их высокой прозрачностью и незначительным электрическим сопротивлением, что обеспечивается большой шириной запрещенной зоны. «Полученные в нашей работе результаты будут использованы при создании экспериментальных образцов широкополосных источников терагерцового излучения на основе тонкоплёночных гетероструктур ферромагнетиков, антиферромагнетиков и функциональных оксидов методом ИЛО в бескапельном режиме», — рассказала аспирант физического факультета Мария Конникова.
Исследования проводились в рамках НОШ МГУ «Фотоника».