La formazione di spesse Dense ittrio ferro Garnet Films Utilizzando Aerosol Deposizione

Aerosol deposizione (AD) è un processo di deposizione a film spesso in grado di produrre strati fino a diverse centinaia di micrometri di spessore con densità maggiore del 95% della massa ^1. Il processo di deposizione si crede che avvenga attraverso un processo continuo di impatto, frattura o deformazione, adesione, e addensamento delle particelle. La figura 1 illustra questo processo come una serie di passi che mostrano impatto delle particelle e densificazione su diversi passaggi. Come mostrato, le particelle si muovono verso il substrato con una velocità tipica di 100-500 m / sec. Poiché l'impatto particelle iniziali con il substrato si frattura e aderiscono al substrato. Questo strato di ancoraggio prevede l'adesione meccanica tra il substrato e il film bulk. Quando si verificano impatti successivi le particelle sottostanti sono sempre più fratturato, aderito, e ulteriormente addensato. Questo processo di impatto continuo, frattura e densificazione lavora per compattare il film sottostante e legare i crystallites e produrre un film con una densità di raggiungere superiore al 95% del materiale sfuso.

Figura 1. Illustrazione del processo di deposizione. Pannello A mostra tre particelle che si muovono verso il substrato con una velocità tipica di 100-500 m / sec. Pannello B mostra il risultato di impatto, frattura, e l'adesione della prima particella. Pannelli C e D mostrano il conseguente impatto del secondo e terzo particelle, che ulteriormente compatto film sottostante e legano le cristalliti. Il risultato è un film con una densità maggiore del 95% del materiale sfuso (riprodotto con il permesso di Riferimento 19). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il vantaggio principale di AD è che i Deposition si svolge interamente in ambiente RT; consentendo crescita del film, per esempio, di un materiale ad alta temperatura di fusione (polvere iniziale) su un substrato a bassa temperatura di fusione. La velocità di deposizione può essere fino a diversi micrometri al minuto ed è effettuata in condizioni di vuoto moderati di 1-20 Torr nella camera di deposizione. Il processo mostra la possibilità di scalare fino a molto grandi aree di deposizione e, infine, si può depositare conformally. ²

Ci sono molti sistemi di materiali studiati da AD per un'ampia varietà di usi, come induttori ^3, rivestimenti resistenti all'abrasione ^4, piezoelettrici ^{5, 6,} multiferroici magnetoelectrics ⁷ termistori ^8, film termoelettrici ^9, dielettrici flessibili ^10, impianti di tessuti duri e bioceramica ^11, elettroliti solidi ¹² e fotocatalizzatori ^13. Per le applicazioni ai dispositivi a microonde, film magnetici di severasono necessari l centinaia di micrometri di spessore che sarebbe idealmente essere integrato direttamente negli elementi del circuito. Una sfida di realizzare tale integrazione è il regime di alta temperatura necessaria per la fabbricazione di film ferrite (leggi da Harris et al. ^14), come ad esempio il ferro granato di ittrio (YIG). Per questo motivo dC sembra essere una scelta naturale per la realizzazione di eventuali nuovi progressi nella tecnologia dei circuiti integrati magnetici. Il funzionamento a basso costo e ad alta velocità di deposizione, e la semplicità di AD ha stimolato interesse da ricercatori in Germania, Francia, Giappone, Corea, e ora negli Stati Uniti.

La figura 2 è un disegno che illustra la configurazione di base per eseguire aerosol deposizione. La pressione viene monitorato nei punti contrassegnati P _{AC, DC} P, e P _H per la camera di aerosol, camera di deposizione, e testa della pompa, rispettivamente. Il flusso di gas, controllato dal controllore di flusso di massa (MFC), entra nel aerosolcamera e aerosolizes la polvere. La camera di deposizione viene pompato per creare la differenza di pressione tra le due camere, causando il flusso di particelle attraverso rettangolare (0,4 mm x 4,8 millimetri) apertura dell'ugello.

Figura 2. Principali componenti del sistema NRL ADM. La pressione viene monitorata nei luoghi contrassegnati P _{AC, DC} P, e P _H per la camera di aerosol, camera di deposizione, e testa della pompa, rispettivamente. Vedere il testo per i dettagli. (Copyright (2014) La Japan Society of Applied Physics, riprodotto da riferimento 20). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

La dimensione media di una singola particella YIG in questo lavoro è di 0,5 micron. L'effetto di agglomerazione provoca questipiccole particelle per formare agglomerati molto più grandi che variano in dimensioni da circa 10 micron a circa 400 micron. Controllo delle dimensioni e la consegna tasso agglomerato è essenziale per ottenere una pellicola densa ben formato. Ciò richiede la configurazione di una camera di aerosol che consente di selezionare un formato per il flusso di particelle uniforme nella camera di deposizione. La polvere è pre-setacciata per rimuovere eventuali agglomerati più grandi di 53 micron prima di essere caricato nella camera di aerosol. La configurazione della camera aerosol utilizzata in questo lavoro è illustrato nella figura 3. Gas azoto entra attraverso quattro ugelli di ingresso (due sono mostrati in figura 3) poste ai lati inferiore della camera. Il gas interagisce con la polvere YIG (mostrato in verde) per produrre un aerosol costituito da una distribuzione di particelle agglomerate di dimensioni inferiori a 53 micron. Un agitatore alla base della camera aerosol fatto di una piastra di acciaio inossidabile è vibrato continuamente per mantenere la polvere si spostano inil flusso di gas. Gli agglomerati impatto un filtro da 45 micron, permettendo solo agglomerati di dimensioni inferiori a 45 micron per entrare all'ingresso dell'ugello. Entrando la bocchetta d'ingresso agglomerati vengono accelerati ad una grande velocità e espulso nella camera di deposizione (non mostrato) per eseguire la deposizione. Un tondino di acciaio inox collega il fondo del filtro alla base dell'agitatore (non mostrato) per aiutare a de-intasamento del filtro.

Figura 3. Illustrazione della configurazione della camera di aerosol interna, con il filtro, ugello di immissione, e YIG polveri mostrato. Vedi testo per i dettagli.

Questo rapporto descrive la procedura sperimentale per eseguire dC utilizzando il sistema su misura di cui sopra per la produzione di film densi di YIG. Risultati rappresentativi per una pellicola di spessore 11 micron prodotta in questo sistema sono presentati utilizzando scanninmicroscopia g elettronica (SEM), profili di spessore, e la risonanza ferromagnetica (FMR). I risultati presentati non sono destinati ad essere uno studio approfondito delle proprietà magnetiche o struttura materiale del film, ma come una dimostrazione dei film prodotti con questa tecnica. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.