Laser infravermelho Nd:YAG como alternativa viável ao excimer laser: estudo de caso da YBCO

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3882 (2023) Citar este artigo

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Relatamos exclusivamente o crescimento e a caracterização de filmes finos de óxido complexo epitaxial YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) e heteroestruturas relacionadas. por Deposição de Laser Pulsado (PLD) e usando fonte de laser pulsado de primeiro harmônico Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) (\ (\lambda\) = 1064nm). Heteroestruturas de filme fino epitaxial YBCO de alta qualidade exibem propriedades supercondutoras com temperatura de transição \(\sim\) 80 K. Em comparação com os lasers excimer, ao usar lasers Nd:YAG, as condições ideais de crescimento são alcançadas em um grande alvo-substrato distância D. Estes resultados demonstram claramente o uso potencial da fonte de laser Nd:YAG de primeira harmônica como uma alternativa aos lasers excimer para a comunidade de filmes finos PLD. A sua compacidade, bem como a ausência de quaisquer problemas de segurança relacionados com gases venenosos, representam um grande avanço na deposição de compostos complexos multielementos na forma de filmes finos.

Filmes finos de óxido de perovskita hospedam inúmeras propriedades em eletrônica, magnetismo e óptica apenas ajustando/dopando os elementos catiônicos, bem como o conteúdo de oxigênio . A deposição de laser pulsado (PLD) tornou-se uma instalação de última geração para o crescimento de filmes finos na comunidade de óxidos após a demonstração bem-sucedida da transferência estequiométrica do supercondutor YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) Óxido complexo O\(_{7-\delta }\) (YBCO)7 por excimer laser KrF de comprimento de onda \(\lambda\) = 248 nm. Desde então, os excimer lasers KrF emergiram como uma ferramenta dominante para o crescimento de filmes finos de óxidos complexos de altíssima qualidade8,9,10,11 com aplicações que vão desde pesquisa de materiais fundamentais até indústrias avançadas de fabricação de semicondutores para dispositivos12,13,14. No entanto, surgem limitações severas em relação ao uso de excimer lasers em laboratórios de PLD em todo o mundo. Os lasers Excimer consistem em grande parte de uma mistura de gases nobres (96% Ne, 3,5% de Kr/Ar) e os 0,05% restantes pertencem à mistura de halogênio (ou seja, F/Cl) em He, presente na câmara de descarga. A utilização de lasers excimer levanta frequentemente preocupações sobre questões de segurança (por exemplo, presença de gases altamente tóxicos), exigindo assim infra-estruturas dispendiosas para permitir a sua utilização. Além disso, devido ao aumento constante da procura e à escassez de recursos de gás nobre, o custo da mistura de pré-mistura de gás KrF aumentou tremendamente nos últimos anos. Neste sentido, para reduzir o seu consumo, as indústrias também incorporaram formas de reciclar estes gases e alcançaram até 85% da taxa de reciclagem de gás com produção estável de energia laser15. No entanto, o tempo de espera para as misturas de gases pré-misturados aumentou severamente nestes últimos anos, não só dificultando o bom fluxo das atividades diárias, mas também aumentando tremendamente os custos de manutenção dos lasers.

Para reduzir os custos e os longos tempos de espera decorrentes da indisponibilidade de misturas de gases nobres para os excimer lasers, os cientistas de materiais começaram a incorporar o estado sólido Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} Lasers \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) no processo de crescimento de PLD. O laser Nd:YAG utiliza cristais inorgânicos para a produção de radiação laser altamente energética, descartando, portanto, quaisquer problemas de segurança quanto à presença de gases tóxicos. A frequência fundamental do laser Nd:YAG é de 1064 nm na região infravermelha (IR) do espectro de luz, mas ao introduzir os geradores de cristal harmônico óptico, o comprimento de onda do laser pode ser empurrado para a região ultravioleta (UV), ou seja, , 266 nm (4º harmônicos) e 213 nm (5º harmônicos) imitando os comprimentos de onda do laser do excimer. Embora o uso de geradores de harmônicos superiores tenha permitido o crescimento bem-sucedido de filmes finos de óxido16,17,18, limitações como uma enorme redução na energia de saída do laser usando geradores de harmônicos que são conhecidos por possivelmente resultarem em uma ablação incongruente do alvo19 e falta de homogeneidade no perfil do feixe de laser os tornaram menos atraentes em relação aos lasers excimer.