エキシマ レーザーの実行可能な代替品としての Nd:YAG 赤外レーザー: YBCO のケーススタディ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3882 (2023) この記事を引用

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私たちは、エピタキシャル YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) 複合酸化物薄膜と関連するヘテロ構造の成長と特性評価についてのみ報告します。パルス レーザー蒸着 (PLD) によって、第一高調波 Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) パルス レーザー ソース (\ (\ラムダ\) = 1064 nm)。 高品質のエピタキシャル YBCO 薄膜ヘテロ構造は、転移温度 \(\sim\) 80 K の超伝導特性を示します。エキシマ レーザーと比較して、Nd:YAG レーザーを使用すると、ターゲットから基板までの距離が広い場合に最適な成長条件が達成されます。距離ｄ． これらの結果は、PLD 薄膜コミュニティにおけるエキシマ レーザーの代替として、第一高調波 Nd:YAG レーザー源の使用の可能性を明確に示しています。 そのコンパクトさと有毒ガスに関連する安全性の問題がないことは、薄膜の形態での複雑な多元素化合物の堆積における大きな進歩となります。

酸化物ペロブスカイト薄膜は、陽イオン元素と酸素含有量を調整/ドーピングするだけで、エレクトロニクス、磁気、光学において無数の特性をもたらします1、2、3、4、5、6。 パルスレーザー蒸着(PLD)は、超伝導YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)の化学量論的転移の実証に成功した後、酸化物コミュニティにおける最先端の薄膜成長施設となった波長 \(\lambda\) = 248 nm の KrF エキシマ レーザーによる O\(_{7-\delta }\) (YBCO) 複合酸化物7。 それ以来、KrF エキシマ レーザーは、非常に高品質の複合酸化物薄膜を成長させるための主要なツールとして台頭し、基礎材料研究からデバイス用の高度な半導体製造産業まで幅広い用途で使用されています 12、13、14。 しかし、世界中の PLD 研究室でのエキシマ レーザーの使用に関しては、厳しい制限が生じています。 エキシマ レーザーは主に希ガスの混合物 (96% Ne、3.5% Kr/Ar) で構成され、残りの 0.05% は放電室内に存在する He のハロゲン (つまり F/Cl) 混合物に属します。 エキシマレーザーの使用は、しばしば安全上の問題（例えば、猛毒ガスの存在）についての懸念を引き起こし、そのため、その使用を可能にするために高価なインフラストラクチャーが必要となる。 さらに、需要の高まりと希ガス資源の不足により、KrF プレミックスガス混合物のコストはここ数年で大幅に上昇しています。 この点で、消費量を削減するために、産業界はこれらのガスをリサイクルする方法も取り入れており、安定したレーザーエネルギー出力で最大 85% のガスリサイクル率を達成しています15。 しかし、ここ数年、予混合ガス混合物の待ち時間が大幅に増加しているため、日常業務のスムーズな流れが妨げられるだけでなく、レーザーのメンテナンス費用も大幅に増加しています。

エキシマレーザー用の希ガス混合物が入手できないために発生するコストと長い待ち時間を削減するために、材料科学者は固体 Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} PLD 成長プロセスにおける \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) レーザー。 Nd:YAG レーザーは、高エネルギーのレーザー放射の生成に無機結晶を使用するため、有毒ガスの存在に関する安全性の問題が排除されます。 Nd:YAG レーザーの基本周波数は、光スペクトルの赤外 (IR) 領域の 1064 nm ですが、光調和結晶発生器を導入することにより、レーザーの波長を紫外 (UV) 領域に押し上げることができます。 、266 nm (第 4 高調波) と 213 nm (第 5 高調波) は、エキシマ レーザーの波長を模倣します。 高調波発生器の使用により、酸化物薄膜の成長は成功しましたが16、17、18、高調波発生器の使用によるレーザー出力エネルギーの大幅な減少などの制限があり、ターゲットの不適合なアブレーション19や不均一性を引き起こす可能性があることが知られています。レーザービームプロファイルの違いにより、エキシマレーザーに対する魅力が低下しています。