Vorming van Dik Dense Yttrium Iron Granaat Films Met behulp van Aerosol Deposition

Aerosol depositie (AD) is een dikke-film depositie proces lagen kunnen produceren tot enkele honderden micrometers dik met een dichtheid van meer dan 95% van de massa ^1. Het depositieproces vindt waarschijnlijk plaats door een continu proces van botsing breuk of vervorming, adhesie en verdichting van de deeltjes. Figuur 1 toont dit proces een serie stappen tonen deeltje effect en verdichting in meerdere stappen. Zoals getoond, bewegen de deeltjes naar het substraat met een typische snelheid van 100-500 m / sec. Aangezien de oorspronkelijke deeltjes botsing met het substraat zij breken en zich aan het substraat. Deze verankering laag verschaft de mechanische hechting tussen het substraat en de bulk film. Als volgende effecten optreden de onderliggende deeltjes steeds gebroken, gehandeld, en verder verdicht. Dit proces van voortdurende impact breuk, en verdichting werkt om de onderliggende film comprimeren en Bond de crystallites en produceren van een film met een dichtheid bereikt van meer dan 95% van het stortgoed.

Figuur 1. Illustratie van het depositieproces. Paneel A toont drie deeltjes bewegen naar het substraat met een typische snelheid van 100-500 m / sec. Paneel B toont de resultaten van de botsing breuk en hechting van het eerste deeltje. Panelen C en D tonen het volgende effect van de tweede en derde deeltjes, die verder compact onderliggende film en hechten de kristallieten. Het resultaat is een film met een dichtheid van meer dan 95% van de bulk materiaal (gereproduceerd met toestemming van referentie 19). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het belangrijkste voordeel van AD is de DEPOSvulle gebeurt volledig bij omgevingstemperatuur RT; waardoor het mogelijk filmgroei, bijvoorbeeld een hoogsmeltende temperaturen materiaal (uitgangspoeder) op een laagsmeltend temperatuur substraat. De afzetting tarief kan oplopen tot enkele micrometers per minuut en wordt uitgevoerd bij gematigde vacuum voorwaarden van 1-20 Torr in de afzettingskamer. De werkwijze geeft de mogelijkheid om op te schalen tot zeer grote afzetting ruimtes slotte kan conformally deponeren. ²

Er zijn verschillende materiaalsystemen bestudeerd door AD voor allerlei toepassingen, zoals inductors ^3, slijtvaste coatings ^4, piezoelectrics ^5, multiferroica ^6, magnetoelectrics ^{7 8} thermistors, thermo films ^9, flexibele diëlektrica ^10, hard weefsel implantaten en bioceramics ^11, vaste elektrolyten ¹² en ¹³ fotokatalysatoren. Voor toepassingen op magnetron apparaten, magnetische films van Several honderden micrometers dikte nodig die idealiter direct in de printplaat elementen geïntegreerd. Een uitdaging bij het ​​realiseren van dit integratie het regime hoge temperatuur die nodig is voor het vervaardigen van ferriet films (zie recensie van Harris et al. ^14), zoals yttrium ijzer granaat (YIG). Om deze reden AD lijkt een natuurlijke keuze voor het realiseren van potentiële nieuwe ontwikkelingen in magnetische geïntegreerde schakeling technologie. De low-cost operatie, hoge depositie snelheid en eenvoud van AD heeft belangstelling door onderzoekers in Duitsland, Frankrijk, Japan, Korea aangespoord, en nu in de Verenigde Staten.

Figuur 2 is een tekening waarin de basis-setup om aerosol depositie voeren. De druk wordt gecontroleerd op de locaties gemarkeerd P _AC, P _DC, en P _H voor de aerosol kamer, afzettingskamer en opvoerhoogte, respectievelijk. De gasstroom, bestuurd door de massastroomregelaar (MFC), komt in de aerosolkamer en aerosolizes het poeder. De afzetting kamer wordt gepompt naar het drukverschil tussen de twee kamers veroorzaken die de stroom deeltjes door de rechthoekige (0,4 mm x 4,8 mm) nozzle opening.

Figuur 2. De belangrijkste componenten in de NRL ADM-systeem. De druk wordt gecontroleerd op de locaties gemarkeerd P _AC, P _DC, en P _H voor de aerosol kamer, afzettingskamer en opvoerhoogte, respectievelijk. Zie tekst voor details. (Copyright (2014) De Japan Society of Applied Physics, overgenomen uit referentie 20). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De gemiddelde grootte van een individuele YIG deeltje in dit werk is 0,5 urn. Het effect van agglomeratie veroorzaakt dezekleine deeltjes veel grotere agglomeraten die variëren in grootte van ongeveer 10 urn tot ongeveer 400 urn. Controle van het agglomeraat grootte en de levering tarief is essentieel voor het bereiken van een dichte goed gevormde film. Dit vereist configuratie van een aerosol kamer die grootte selectie en uniforme deeltjesflux laat in de afzettingskamer. Het poeder is vooraf gezeefd om eventuele agglomeraten groter dan 53 micrometer voordat het in de aërosolkamer geladen verwijderen. De aerosol kamerconfiguratie gebruikt in dit werk wordt geïllustreerd in figuur 3. Stikstofgas komt binnen door vier inlaatmondstukken (twee zijn getoond in figuur 3) bij de onderkant van de kamer. Het gas reageert met de YIG poeder (groene) produceren een aërosol omvattende een verdeling van geagglomereerde deeltjesgrootte kleiner dan 53 urn. Een roerder bij de basis van de aërosolkamer van een roestvast stalen plaat continu getrild om het poeder blijven bewegen naarde gasstroom. De agglomeraten beïnvloeden een 45 urn filter, die slechts agglomeraten afmetingen kleiner dan 45 urn tot de mondstukinlaat voeren. Bij binnenkomst in de mondstukinlaat de agglomeraten worden versneld tot een grote snelheid en uitgestoten in de afzettingskamer (niet getoond) om de afzetting te voeren. Een roestvrij stalen staaf verbindt de bodem van het filter aan de basis van de roerder (niet getoond) om te helpen bij-de verstopping van de filter.

Figuur 3. Illustratie van de interne configuratie aerosol kamer, met filter, inlaat nozzles en YIG poeder getoond. Zie tekst voor details.

Dit rapport beschrijft de experimentele procedure om AD te voeren met behulp van de custom-built systeem hierboven beschreven om dichte films van YIG produceren. Representatieve resultaten voor een 11 micrometer dikke film geproduceerd in dit systeem worden gepresenteerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), dikte profielen en ferromagnetische resonantie (FMR). De gepresenteerde resultaten zijn niet bedoeld om een diepgaande studie van de magnetische eigenschappen of materiële structuur van de film, maar als een demonstratie van de door deze techniek films. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.