Formation de plus épaisses yttrium fer grenat Films Utilisation Aérosol dépôt

Dépôt aérosol (AD) est un procédé de dépôt de couche épaisse qui peut produire des couches jusqu'à plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur avec des densités supérieures à 95% de la masse ^1. Le procédé de dépôt est censé se produire grâce à un processus continu de l'impact, la rupture ou la déformation, l'adhérence, et la densification des particules. La figure 1 illustre ce processus comme une série d'étapes montrant l'impact des particules et la densification au cours de plusieurs étapes. Comme représenté, les particules se déplacent vers le substrat avec une vitesse typique de 100 à 500 m / sec. Comme l'impact des particules initiales avec le substrat, ils fracturent et adhèrent au substrat. Cette couche d'ancrage permet l'adhérence mécanique entre le substrat et la couche en vrac. Comme impacts ultérieurs se produisent les particules sous-jacents sont de plus en plus fracturé, adhéré, et plus denses. Ce processus continu de l'impact, une fracture, et la densification fonctionne pour compacter le film sous-jacent et lier les crystallites et de produire un film ayant une densité atteignant plus de 95% de la matière en vrac.

Figure 1. Illustration du procédé de dépôt. Le panneau A montre trois particules se déplaçant vers le substrat à une vitesse typique de 100 à 500 m / sec. Le panneau B montre le résultat de l'impact, la rupture, l'adhérence et de la première particule. Les panneaux C et D montrent l'impact ultérieur des deuxième et troisième particules, ce qui en outre la sous-couche compacte et lier les cristallites. Le résultat est un film avec une densité supérieure à 95% de la matière en vrac (reproduit avec la permission de Référence 19). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Le principal avantage de la MA est que les dépoition se déroule entièrement à température ambiante ambiante; ce qui permet la croissance du film, par exemple, d'un matériau à haute température de fusion (poudre initiale) sur un substrat de faible température de fusion. Le taux de dépôt peut être jusqu'à plusieurs micromètres par minute et est réalisée à des conditions de vide modérés de 1-20 Torr dans la chambre de dépôt. Le processus montre la capacité d'extrapoler à de très grandes zones de dépôt et finalement, il peut déposer de façon conforme. ²

Il ya beaucoup de systèmes de matériaux étudiés par AD pour une grande variété d'utilisations, tels que des inductances ^3, revêtements résistants à l'abrasion ^4, piézoélectriques ^5, multiferroïques ^6, magnétoélectriques ⁷ thermistances ^8, films thermoélectriques ^9, les diélectriques flexibles ^10, les implants de tissus durs et biocéramique ^{11, 12,} électrolytes solides et photocatalyseurs ^13. Pour les applications à des appareils à micro-ondes, des films magnétiques de several centaines de micromètres d'épaisseur sont nécessaires qui devraient idéalement être intégré directement dans les éléments de circuits. Un défi à la réalisation de cette intégration est le régime à haute température nécessaire pour la fabrication de films de ferrite (voir l'étude de Harris et al. ^14), comme grenat d'yttrium et de fer (YIG). Pour cette raison AD semble être un choix naturel pour la réalisation de nouveaux progrès potentiels dans la technologie de circuit intégré magnétique. Le fonctionnement à faible coût, le taux de dépôt élevé, et la simplicité de AD a suscité l'intérêt des chercheurs en Allemagne, en France, au Japon, en Corée, et maintenant aux États-Unis.

Figure 2 est un dessin décrivant la configuration de base pour effectuer des dépôts d'aérosols. La pression est contrôlée sur les emplacements marqués P _{AC, DC} P et P _H pour la chambre d'aérosol, chambre de dépôt, et la tête de la pompe, respectivement. Le flux de gaz, commandé par le contrôleur de débit massique (MFC), pénètre dans l'aérosolchambre et vaporise la poudre. La chambre de dépôt est pompé pour créer la différence de pression entre les deux chambres, ce qui provoque l'écoulement de particules à travers la rectangulaire (0,4 mm x 4,8 mm) d'ouverture de buse.

Figure 2. Principaux composants du système NRL ADM. La pression est contrôlée sur les emplacements marqués P _{AC, DC} P et P _H pour la chambre d'aérosol, chambre de dépôt, et la tête de la pompe, respectivement. Voir le texte pour plus de détails. (Droit d'auteur (2014) La Japan Society of Applied Physics, reproduit à partir de Référence 20). S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La taille moyenne d'une particule de YIG individu dans ce travail est de 0,5 um. L'effet d'agglomération provoque cesles petites particules, pour former des agglomérats beaucoup plus grandes que la taille varie d'environ 10 um à environ 400 um. Le contrôle de la taille et de la vitesse de distribution agglomérat est essentielle à la réalisation d'un film bien formé dense. Ceci nécessite la configuration d'une chambre d'aérosol qui permet la sélection de la taille des particules et le flux uniforme dans la chambre de dépôt. La poudre est pré-tamisé pour éliminer tous les agglomérats plus grande que 53 um avant d'être chargés dans la chambre d'aérosol. La configuration de la chambre d'aérosol utilisé dans ce produit est illustré sur la figure 3. De l'azote gazeux pénètre par quatre buses d'admission (deux sont représentées sur la figure 3) situées sur les côtés inférieurs de la chambre. Le gaz interagit avec la poudre de YIG (en vert) pour produire un aérosol constitué d'une distribution de tailles de particule agglomérée de moins de 53 um. Un agitateur à la base de la chambre d'aérosol constituée d'une plaque en acier inoxydable est vibré de façon continue pour maintenir la poudre en mouvement dansl'écoulement de gaz. Les agglomérats impact sur un filtre de 45 um, ne permettant que des agglomérats dimensionnés moins de 45 um d'entrer dans l'entrée de la buse. En entrant dans la buse d'entrée, les agglomérats sont accélérés à une grande vitesse et éjecté dans la chambre de dépôt (non représentée) pour effectuer le dépôt. Une tige en acier inoxydable relie le fond du filtre à la base de l'agitateur (non représenté) pour faciliter le colmatage de filtre.

Figure 3. Illustration de la configuration interne de la chambre d'aérosol, avec filtre, des buses d'admission, et la poudre de YIG représenté. Voir le texte pour les détails.

Ce rapport détaille la procédure expérimentale pour effectuer AD en utilisant le système sur-mesure décrite ci-dessus pour produire des films denses de YIG. Les résultats représentatifs pour un film épais de 11 um produite dans ce système sont présentés en utilisant scanning microscopie électronique (SEM), les profils d'épaisseur, et la résonance ferromagnétique (FMR). Les résultats présentés sont pas destinés à être une étude approfondie des propriétés magnétiques ou structure de la matière du film, mais comme une démonstration des films produits par cette technique. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.