Лазерный метод позволяет синтезировать тонкие пленки квантовых материалов при температуре 3000 Кельвинов
Нанесение чрезвычайно тонких слоев материалов равномерным и однородным способом имеет решающее значение для производства полупроводников, которые являются основой современной электроники. Не все материалы можно легко осаждать в виде таких тонких слоев, например, материалы с очень высокими температурами плавления. Учёные из Калифорнийского технологического института под руководством Остина Миннича, профессора машиностроения и прикладной физики и заместителя председателя Отдела инженерии и прикладных наук, продемонстрировали лазерный метод получения тонких пленок таких материалов, как ниобий. Эта работа может оказать непосредственное влияние на сверхпроводящую электронику, используемую в квантовых компьютерах. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters.
Фото. Сварочный лазер (жёлтый луч) нагревает мишень, расплавляя лишь небольшую центральную часть образца и генерируя достаточное количество пара для конденсации и осаждения на подложке сверху. Сама подложка нагревается лазером сверху (красный луч). Фото: Дэвид Кэтералл.
Распространенный способ получения тонких пленок заключается в нагреве исходного материала до достаточно высокой температуры, чтобы он образовывал пар, который затем конденсируется на поверхности роста, образуя тонкую пленку. Однако материалы, содержащие определенные элементы, которые ученые называют "сверхтугоплавкими", плавятся только при температуре выше 3000 Кельвинов (2726,85 °C).
Представьте себе чашку кофе, из которой выходит пар. Это тот же принцип, только, допустим, вы используете вольфрам. Тогда температура вашего кофе будет около 3600 Кельвинов. Какая чашка достаточно прочна, чтобы выдержать 3600 Кельвинов? Именно поэтому создание тонких пленок из таких сверхтугоплавких материалов обычным методом термического испарения было чрезвычайно сложной задачей. Но благодаря развитию лазерных технологий для сварки и резки металла теперь есть обходной путь.
Ученые специально разработали прибор для реализации лазерного метода. Этот процесс включает в себя получение гранулы нужного материала и фокусировку на ней мощного лазера таким образом, чтобы расплавилась только самая центральная часть, в то время как гранула в целом остается твердой, образуя своего рода "чашку". Расплавленная часть гранулы генерирует достаточное количество пара для конденсации и осаждения на подложке сверху.
В работе авторы используют свою методику для осаждения сверхтонких никелевых пленок с помощью волоконного лазера мощностью 1 киловатт, сфокусированного на никелевой мишени в вакуумной камере. При температуре, близкой к температуре плавления никеля (1728 Кельвинов, 1454,85 °C), тепло испаряло достаточное количество материала для образования тонкой пленки. Измерения электропроводности полученной пленки показали, что она имеет такое же или лучшее качество, чем пленки, осажденные другими методами.
