تشكيل سميكة الكثيفة الإيتريوم الحديد العقيق أفلام عن طريق الهباء ترسب
Summary
ويصف هذا التقرير استخدام نظام مبنية خصيصا لأداء ترسب الهباء الجوي من الأفلام سميكة من الحديد العقيق الإيتريوم على ركائز الياقوت في RT. وتتميز الأفلام المودعة باستخدام المجهر الإلكتروني، profilometry، والرنين المغناطيسية لإعطاء لمحة تمثيلية من قدرات تقنية.
Abstract
الهباء الجوي ترسب (AD) هو عملية ترسب سميك بين الأفلام التي يمكن أن تنتج طبقات تصل إلى عدة مئات من ميكرومتر سميكة ذات الكثافة أكبر من 95٪ من الجزء الأكبر. والميزة الرئيسية لAD هي أن ترسب يحدث تماما عند درجة حرارة الغرفة. وبالتالي تمكين النمو الفيلم في النظم المادية مع درجات حرارة انصهار المتباينة. ويصف هذا التقرير بالتفصيل خطوات المعالجة لإعداد مسحوق وأداء AD باستخدام نظام مبنية خصيصا. يتم عرض النتائج توصيف تمثيلية من المجهر الإلكتروني، profilometry، والرنين المغناطيسية للأفلام التي تزرع في هذا النظام. كما لمحة تمثيلية من قدرات النظام، وقد تم التركيز على عينة المنتجة بعد وصفه البروتوكول وإعداد النظام. وتشير النتائج إلى أن هذا النظام يمكن أن تودع بنجاح 11 ميكرون الحديد الإيتريوم سميكة الأفلام العقيق التي هي> 90٪ من الكثافة الظاهرية خلال واحد 5 دقائق ترسب صالامم المتحدة. ويرد مناقشة طرق على تحمل سيطرة أفضل من الهباء الجوي والجسيمات الاختيار لتحسين سمك والاختلافات خشونة في الفيلم.
Introduction
الهباء الجوي ترسب (AD) هو عملية ترسب سميك بين الأفلام التي يمكن أن تنتج طبقات تصل إلى عدة مئات من ميكرومتر سميكة ذات الكثافة أكبر من 95٪ من الجزء الأكبر 1. ويعتقد أن عملية الترسيب يحدث من خلال عملية مستمرة من تأثير، وكسر أو تشوه، التصاق، والتكثيف من الجسيمات الشكل 1 يصور هذه العملية على شكل سلسلة من الخطوات التي تبين تأثير الجسيمات والتكثيف على مدى عدة خطوات. كما هو مبين، والجزيئات تتحرك نحو الركيزة مع سرعة نموذجية من 100-500 متر / ثانية. كما أثر الجسيمات الأولية مع الركيزة أنها كسر والتمسك الركيزة. توفر هذه الطبقة ترسيخ التصاق الميكانيكية بين الركيزة والفيلم بالجملة. كما تحدث الآثار اللاحقة الجسيمات الأساسية هي كسر على نحو متزايد، الالتزام، وزيادة مكثف. هذه العملية من تأثير مستمر، والانكسار، والتكثيف تعمل على ضغط الفيلم الأساسي والسندات وتبكيtallites وإنتاج الفيلم مع كثافة تصل إلى أكثر من 95٪ من المواد السائبة.
الشكل 1. رسم توضيحي لعملية الترسيب. يظهر لوحة وثلاثة جسيمات تتحرك نحو الركيزة مع سرعة نموذجية من 100-500 متر / ثانية. لوحة B يظهر نتيجة للتأثير، والانكسار، والتصاق الجسيمات الأول. لوحات C و D تظهر الأثر اللاحق للجزيئات الثانية والثالثة، الأمر الذي يزيد من التعاقد الفيلم الأساسي والسندات البلورة. والنتيجة هي فيلم مع كثافة أكبر من 95٪ من المواد السائبة (مستنسخة بإذن من المرجع 19). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
والميزة الرئيسية لAD هي أن deposition يحدث تماما في المحيط RT. وبالتالي تمكين النمو الفيلم، على سبيل المثال، من مادة عالية الذوبان في درجة الحرارة (مسحوق البدء) على ركيزة منخفضة ذوبان في درجة الحرارة. معدل الترسيب يمكن أن تصل إلى عدة ميكرومتر في الدقيقة الواحدة ويتم تنفيذ في ظروف فراغ معتدلة من 1-20 عربة في غرفة خلع. وتظهر عملية القدرة على الارتقاء إلى مناطق ترسيب كبيرة جدا وأخيرا، فإنه يمكن إيداع conformally 2
هناك العديد من النظم المواد التي يدرسها AD لمجموعة واسعة من الاستخدامات، مثل لفائف 3، الطلاءات المقاومة للتآكل 4، 5 piezoelectrics، multiferroics 6، 7 magnetoelectrics الثرمستورات 8، 9 أفلام الحرارية، العوازل المرنة 10، يزرع الأنسجة الصلبة وbioceramics 11، الشوارد الصلبة 12، وphotocatalysts 13. للتطبيقات لأجهزة الميكروويف والأفلام المغناطيسية للسيفيراهناك حاجة ل مئات ميكرومتر في السمك التي من شأنها أن تكون متكاملة من الناحية المثالية مباشرة إلى عناصر وحات الدوائر الالكترونية. أحد التحديات لتحقيق هذا التكامل هو نظام درجات الحرارة العالية اللازمة لتصنيع أفلام الفريت (انظر مراجعة من قبل هاريس وآخرون. 14)، مثل العقيق الحديد الإيتريوم (YIG). لهذا السبب AD يبدو أن الخيار الطبيعي لتحقيق التقدم جديدة محتملة في المغناطيسية تكنولوجيا الدوائر المتكاملة. عملية منخفضة التكلفة، وارتفاع معدل الترسيب، وبساطة AD حفزت الاهتمام من قبل الباحثين في ألمانيا، وفرنسا، واليابان، وكوريا، والآن في الولايات المتحدة.
الرقم 2 هو الرسم يحدد الإعداد الأساسي لأداء ترسب الهباء الجوي. يتم مراقبة الضغط في المواقع ملحوظ P AC، DC P، وP H للغرفة الهباء الجوي، غرفة الترسيب، ورئيس المضخة، على التوالي. تدفق الغاز، التي تسيطر عليها وحدة تحكم تدفق كتلة (MFC)، يدخل الهباء الجويغرفة وaerosolizes المسحوق. يتم ضخ غرفة ترسب لإنشاء فرق الضغط بين الغرفتين، مما تسبب في تدفق الجسيمات من خلال مستطيلة (0.4 مم × 4.8 مم) فتح فوهة.
الشكل 2. المكونات الرئيسية في نظام NRL ADM وتتم مراقبة ضغط في مواقع ملحوظ P AC، DC P، وP H للغرفة الهباء الجوي، غرفة الترسيب، ورئيس المضخة، على التوالي. الاطلاع على النص لمزيد من التفاصيل. (حقوق الطبع والنشر (2014) والجمعية اليابانية للفيزياء التطبيقية، مستنسخة من المرجع 20). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
متوسط حجم جسيم YIG الفردية في هذا العمل هو 0.5 ميكرون. تأثير التكتل يسبب هذهالجزيئات الصغيرة لتشكيل تكتلات أكبر من ذلك بكثير والتي تتراوح في حجمها من حوالي 10 ميكرون إلى حوالي 400 ميكرون. السيطرة على حجم وتسليم معدل التكتل أمر ضروري لتحقيق فيلم كثيفة بشكل جيد. وهذا يتطلب تكوين دائرة الهباء الجوي التي تسمح بانتقاء حجم وموحد تدفق الجسيمات في غرفة خلع. المسحوق هو قبل المصفى لإزالة أي تكتلات أكبر من 53 ميكرومتر قبل أن يتم تحميلها في غرفة الهباء الجوي. ويتضح تكوين غرفة الهباء الجوي المستخدمة في هذا العمل في الشكل (3). يدخل غاز النيتروجين من خلال أربع فتحات مدخل (تظهر اثنين في الشكل 3) الواقعة على جانبي الجزء السفلي من الغرفة. يتفاعل الغاز مع مسحوق YIG (كما هو موضح باللون الأخضر) لإنتاج الهباء الجوي يتألف من توزيع الجسيمات المكتل أحجام أقل من 53 ميكرون. محرضا على قاعدة للغرفة الهباء الجوي مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لوحة وصدي باستمرار للحفاظ على مسحوق الانتقال إلىتدفق الغاز. وتكتلات تؤثر مرشح 45 ميكرون، والسماح الكتل التي يقل حجمها عن 45 ميكرون لدخول مدخل فوهة. عند دخول فوهة مدخل للتكتلات وتسارع إلى سرعة كبيرة وإخراجه إلى غرفة خلع (لا يظهر) لأداء الترسيب. قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ يربط الجزء السفلي من مرشح لقاعدة المحرض (لا يظهر) للمساعدة في تصفية انسداد دي.
الشكل 3. رسم توضيحي لتكوين غرفة الهباء الجوي الداخلي، مع فلتر، فوهات مدخل، ومسحوق YIG مبين. انظر النص لمزيد من التفاصيل.
تفاصيل هذا التقرير الإجراء التجريبي لأداء AD باستخدام نظام مبنية خصيصا المذكورة أعلاه لإنتاج الأفلام كثيفة من YIG. وتعرض نتائج ممثلة لفيلم 11 ميكرون سميكة المنتجة في هذا النظام باستخدام scanninالمجهر ز إلكترون (SEM)، وملامح سمك، والرنين المغناطيسية (نشرة الهجرة القسرية). ليس المقصود النتائج المقدمة أن تكون دراسة متعمقة من الخواص المغناطيسية أو الهيكل المادي للفيلم، ولكن كما مظاهرة من الأفلام التي تنتجها هذه التقنية. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
الصورة SEM في الشكل (4) يشير إلى أن كسر والتكثيف كبيرا يحدث أثناء عملية الترسيب. يتم أخذ صورة من السطح العلوي للفيلم، مما يدل على عدد قليل من الفراغات والحبوب. المنطقة يمكن ملاحظتها هي الأخيرة للمواد التي تودع وبالتالي لا تستفيد من عملية التأثير والتكثيف مزيد م…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SDJ بامتنان بدعم من الجمعية الأمريكية للتعليم الهندسي / NRL برنامج زمالة ما بعد الدكتوراه، والمناقشات مع مؤسسة كونراد تابع بوسمان (NRL) ومينغ تشونغ وو (جامعة ولاية كولورادو) على الخواص المغناطيسية للمواد، ورون هولم (NRL) لدوره في تصميم وتنفيذ نظام AD المختبر الوطني المرجعي.
Materials
| Ferromagnetic Resonance Spectrometer | www.bruker.com/ | 9.5 GHz Spectrometer | |
| Scanning Electron Microscope | www.zeiss.com | LEO Supra 55 | |
| Profilometer | www.kla-tencor.com/ | D-120 | |
| Stereo Microscope | www.microscopes.com | Omano Stereo Microscope | Used for inspection directly after removal from deposition chamber |
| Double-sided Copper Tape | www.2spi.com | 05085A-AB | hold-down clips or other adhesives may be used |
| Nitrile Exam Gloves | www.fishersci.com | 19-130-1597D | |
| 2-propanol | www.fishersci.com | A451SK-4 | |
| Acetone | www.fishersci.com | A11-1 | |
| Yttrium Iron Garnet Powder | www.trans-techinc.com/ | Call for Product Information | Powder is custom made to order and ground to specifications |
| Stainless Steel Spoon | www.fishersci.com | 14-429E | Used for scooping and transferring powder |
| Alumina Boats | www.coorstek.com/ | 65580 | |
| Drying Furnace | www.paragonweb.com | KM14 ceramic furnace | Furnace is connected to air during drying |
| Powder Sieves | www.advantechmfg.com/ | 270SS8F | A selection of mesh openings are needed to sieve from large down to target size |
| Ultra High Purity Nitrogen Gas | www.praxairdirect.com | NI 5.0UH-3K | Used as medium for aerosol. |
| Air Breathing Quality | www.praxairdirect.com | AI BR-4KN | Used inside furnace during drying |
| Lab Balance | www.balances.com/ | Sartorius ED224S Lab Balance | Used for weighing powder |
| Sapphire Wafers | www.pmoptics.com/ | PWSP-313211 |
References
- Akedo, J. Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) of Fine Ceramic Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices. J. of Therm. Spray tech. 17, 181 (2008).
- Hahn, B. D., Park, D. -. S., Choi, J. -. J., Ryu, J. Osteoconductive hydroxyapatite coated PEEK for spinal fusion surgery. Appl. Surf. Sci. 283, 6-11 (2013).
- Johnson, S. D., et al. Aerosol Deposition of Yttrium Iron Garnet for Fabrication of Ferrite-Integrated On-Chip Inductors. IEEE Trans. on Magnetics. 51 (05), (2015).
- Johnson, S. D., Kub, F. J., Eddy, C. R. ZnS/Diamond Composite Coatings for Infrared Transmission Applications Formed by the Aerosol Deposition Method. Proceedings of SPIE. 8708, 87080T-87081T (2013).
- Han, G., Ryu, J., Yoon, W. -. H., Choi, J. -. J. Effect of electrode and substrate on the fatigue behavior of PZT thick. Ceram. Int. 38 (1), S241-S244 (2012).
- Ryu, J., Baek, C. -. W., Lee, Y. -. S., Oh, N. -. K. Enhancement of Multiferroic Properties in BiFeO3-Ba(Cu1/3Nb2/3)O-3. Film. J. Am. Ceram. Soc. 94 (2), 355-358 (2011).
- Park, C. -. S., Ryu, J., Choi, J. -. J., Park, D. -. S. Giant Magnetoelectric Coefficient in 3-2 Nanocomposite Thick Films. Jpn. J. Appl. Phys. 48 (8), 1 (2009).
- Ryu, J., Park, D. -. S., Schmidt, R. In-plane impedance spectroscopy in aerosol deposited NiMn2O4 negative. J. Appl. Phys. 109 (11), 112722 (2011).
- Yoon, W. -. H., Ryu, J., Choi, J. -. J., Hahn, B. -. D. Enhanced Thermoelectric Properties of Textured Ca3Co4O9 Thick Film by Aerosol Deposition. J. Am. Ceram. Soc. 93 (8), 2125-2127 (2010).
- Ryu, J., Kim, K. -. Y., Choi, J. -. J., Hahn, B. -. D. Flexible Dielectric Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 Thin Films on a Cu-Polyimide Foil. J. Am. Ceram. Soc. 92 (2), 524-527 (2009).
- Hahn, B. -. D., Lee, J. -. M., Park, D. -. S., Choi, J. -. J. Mechanical and in vitro biological performances of hydroxyapatite-carbon. Acta Biomater. 8 (8), 3205-3214 (2009).
- Choi, J. -. J., Cho, K. -. S., Choi, J. -. H., Ryu, J. Effects of annealing temperature on solid oxide fuel cells containing (La,Sr) (Ga,Mg,Co)O3-δ electrolyte prepared by aerosol deposition. Mater. Lett. 70, 44-47 (2012).
- Ryu, J., Hahn, B. -. D. Porous Photocatalytic TiO2 Thin Films by Aerosol Deposition. J. Am. Ceram. Soc. 93 (1), 55-58 (2010).
- Harris, V. G., et al. Recent advances in processing and applications of microwave ferrites. J. of Magn. and Magn. Mat. 321, 2035 (2009).
- Kang, Y. -. M., Ulyanov, A. N., Yoo, S. -. I. FMR linewidths of YIG films fabricated by ex situ post-annealing of amorphous films deposited by rf magnetron sputtering. Phys. Stat. Sol. (a). 204 (3), 763-767 (2007).
- Popova, E., et al. Perpendicular magnetic anisotropy in ultrathin yttrium iron garnet films prepared by pulsed laser deposition technique). J. of Vac. Sci. Techn. A. 19 (5), 2567-2570 (2001).
- Sun, Y., et al. Growth and ferromagnetic resonance properties of nanometer-thick yttrium. Appl. Phys. Lett. 101 (15), 082405 (2012).
- Kalarickal, S. S., Krivosik, P., Das, J., Kim, K. S., Patton, C. E. Microwave damping in polycrystalline Fe-Ti-N films: Physical mechanisms and correlations with composition and structure. Phys. Rev. B. 77, 054427 (2008).
- Johnson, S. D. Advances in Ferrite-Integrated On-Chip Inductors Using Aerosol Deposition. Magnetics Business & Technology Magazine. 10, (2014).
- Johnson, S. D., Glaser, E. R., Cheng, S. -. F., Kub, F., Eddy Jr, ., R, C. Characterization of As-Deposited and Sintered Yttrium Iron Garnet Thick Films Formed by Aerosol. Appl. Phys. Express. 7, 035501 (2014).
- Lee, D. -. W., Nam, S. -. M. Factors Affecting Surface Roughness of Al2O3 Films Deposited on Cu Substrates by an Aerosol Deposition Method. J. of Ceramic Proc. Research. 11, 100 (2010).
- Glass, H. L., Elliott, M. T. Attainment of the Intrinsic FMR Linewidth in Yttrium Iron Garnet Films Grown by Liquid Phase Epitaxy.J. Cryst. Growth. 34, 285 (1976).
