Laser infrarosso Nd:YAG come valida alternativa al laser ad eccimeri: caso di studio YBCO

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3882 (2023) Citare questo articolo

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Riportiamo esclusivamente la crescita e la caratterizzazione dei film sottili di ossidi complessi epitassiali YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) e delle relative eterostrutture mediante deposizione laser pulsata (PLD) e utilizzando la sorgente laser pulsata di prima armonica Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) (\ (\lambda\) = 1064 nm). Le eterostrutture epitassiali a film sottile YBCO di alta qualità mostrano proprietà superconduttrici con temperatura di transizione \(\sim\) 80 K. Rispetto ai laser ad eccimeri, quando si utilizzano laser Nd:YAG, le condizioni di crescita ottimali si ottengono con un ampio target-substrato Distanziato. Questi risultati dimostrano chiaramente il potenziale utilizzo della sorgente laser Nd:YAG di prima armonica come alternativa ai laser ad eccimeri per la comunità dei film sottili PLD. La sua compattezza e l'assenza di problemi di sicurezza legati ai gas velenosi rappresentano un importante passo avanti nella deposizione di complessi composti multielemento sotto forma di film sottili.

I film sottili di ossido di perovskite ospitano innumerevoli proprietà in elettronica, magnetismo e ottica semplicemente sintonizzando/drogando gli elementi cationici e il contenuto di ossigeno1,2,3,4,5,6. La deposizione laser pulsata (PLD) è diventata un impianto all'avanguardia per la crescita di film sottili nella comunità degli ossidi dopo la riuscita dimostrazione del trasferimento stechiometrico del superconduttore YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) Ossido complesso O\(_{7-\delta }\) (YBCO) mediante laser ad eccimeri KrF di lunghezza d'onda \(\lambda\) = 248 nm. Da allora, i laser ad eccimeri KrF sono emersi come uno strumento dominante per la crescita di film sottili di ossidi complessi di altissima qualità8,9,10,11 con applicazioni che vanno dalla ricerca fondamentale sui materiali alle industrie avanzate di produzione di semiconduttori per dispositivi12,13,14. Tuttavia, sorgono gravi limitazioni per quanto riguarda l'uso dei laser ad eccimeri nei laboratori PLD in tutto il mondo. I laser ad eccimeri sono costituiti in gran parte da una miscela di gas nobili (96% Ne, 3,5% Kr/Ar) ed il restante 0,05% appartiene alla miscela di alogeni (cioè F/Cl) in He, presente nella camera di scarica. L'utilizzo dei laser ad eccimeri solleva spesso preoccupazioni relative alla sicurezza (ad esempio presenza di gas altamente velenosi) richiedendo quindi costose infrastrutture per consentirne l'utilizzo. Inoltre, a causa del costante aumento della domanda e della scarsità di risorse di gas nobile, il costo della miscela di gas premiscelato KrF è aumentato enormemente negli ultimi anni. A questo proposito, per ridurne il consumo, le industrie hanno anche incorporato metodi per riciclare questi gas e hanno raggiunto fino all’85% del rapporto di riciclo del gas con una produzione stabile di energia laser15. Tuttavia, i tempi di attesa per le miscele di gas premiscelati sono aumentati notevolmente negli ultimi anni, non solo ostacolando il regolare svolgimento delle attività quotidiane, ma anche aumentando enormemente i costi di manutenzione dei laser.

Per ridurre i costi e i lunghi tempi di attesa derivanti dalla non disponibilità di miscele di gas nobili per i laser ad eccimeri, gli scienziati dei materiali hanno iniziato a incorporare Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} allo stato solido Laser \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) nel processo di crescita del PLD. Il laser Nd:YAG utilizza cristalli inorganici per la produzione di radiazioni laser altamente energetiche, escludendo quindi qualsiasi problema di sicurezza relativo alla presenza di gas velenosi. La frequenza fondamentale del laser Nd:YAG è a 1064 nm nella regione dell'infrarosso (IR) dello spettro luminoso, ma introducendo i generatori ottici a cristalli armonici, la lunghezza d'onda del laser può essere spinta nella regione dell'ultravioletto (UV), cioè , 266 nm (4a armonica) e 213 nm (5a armonica) che imitano le lunghezze d'onda del laser ad eccimeri. Sebbene l'uso di generatori di armoniche superiori abbia consentito la crescita riuscita di film sottili di ossido16,17,18, limitazioni come un'enorme riduzione dell'energia di uscita del laser utilizzando generatori di armoniche che sono noti possono provocare un'ablazione incongruente del bersaglio19 e disomogeneità nel profilo del raggio laser li hanno resi meno attraenti rispetto ai laser ad eccimeri.