엑시머 레이저의 실행 가능한 대안인 Nd:YAG 적외선 레이저: YBCO 사례 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3882(2023) 이 기사 인용

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우리는 에피택셜 YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) 복합 산화물 박막 및 관련 이종 구조의 성장과 특성에 대해 독점적으로 보고합니다. 펄스 레이저 증착(PLD) 및 1차 고조파 Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) 펄스 레이저 소스(\ (\람다\) = 1064nm). 고품질 에피택셜 YBCO 박막 이종 구조는 전이 온도 \(\sim\) 80K의 초전도 특성을 나타냅니다. 엑시머 레이저와 비교하여 Nd:YAG 레이저를 사용할 때 최적의 성장 조건은 큰 타겟-기판에서 달성됩니다. 거리 ㄷ. 이러한 결과는 PLD 박막 커뮤니티에서 엑시머 레이저의 대안으로 첫 번째 고조파 Nd:YAG 레이저 소스의 잠재적인 사용 가능성을 명확하게 보여줍니다. 컴팩트하고 유독 가스와 관련된 안전 문제가 없다는 점은 복잡한 다원소 화합물을 박막 형태로 증착하는 데 있어 획기적인 발전을 의미합니다.

산화물 페로브스카이트 박막은 양이온 원소와 산소 함량1,2,3,4,5,6을 조정/도핑하는 것만으로 전자, 자기 및 광학 분야에서 수많은 특성을 호스팅합니다. 펄스 레이저 증착(PLD)은 초전도 YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)의 화학양론적 전달을 성공적으로 입증한 후 산화물 커뮤니티에서 최첨단 박막 성장 시설이 되었습니다. 파장 \(\lambda\) = 248 nm의 KrF 엑시머 레이저에 의한 O\(_{7-\delta }\) (YBCO) 복합 산화물7. 그 이후로 KrF 엑시머 레이저는 기초 재료 연구부터 장치용 첨단 반도체 제조 산업에 이르기까지 다양한 응용 분야를 통해 고품질의 복합 산화물 박막8,9,10,11 성장을 위한 주요 도구로 부상했습니다. 그러나 전 세계 PLD 연구실에서는 엑시머 레이저를 사용하는 데 심각한 제한이 있습니다. 엑시머 레이저는 주로 희가스 혼합물(Ne 96%, Kr/Ar 3.5%)로 구성되며 나머지 0.05%는 방전실에 존재하는 He의 할로겐(예: F/Cl) 혼합물에 속합니다. 엑시머 레이저를 사용하면 안전 문제(예: 매우 유독한 가스의 존재)에 대한 우려가 높아지므로 이를 사용하려면 값비싼 인프라가 필요합니다. 더욱이, 수요의 지속적인 증가와 비활성 가스 자원의 부족으로 인해 최근 몇 년 동안 KrF 프리믹스 가스 혼합물의 가격이 엄청나게 상승했습니다. 이러한 측면에서 소비를 줄이기 위해 업계에서는 이러한 가스를 재활용하는 방법을 통합했으며 안정적인 레이저 에너지 출력15으로 가스 재활용 비율의 최대 85%를 달성했습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 사전 혼합 가스 혼합물의 대기 시간이 심각하게 증가하여 일상 활동의 원활한 흐름을 방해할 뿐만 아니라 레이저의 유지 관리 비용도 엄청나게 증가했습니다.

엑시머 레이저용 비활성 가스 혼합물을 사용할 수 없어 발생하는 비용과 긴 대기 시간을 줄이기 위해 재료 과학자들은 고체 Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) 레이저는 PLD 성장 과정에 사용됩니다. Nd:YAG 레이저는 고에너지 레이저 방사선 생성을 위해 무기 결정을 사용하므로 유독 가스의 존재와 관련된 안전 문제가 배제됩니다. Nd:YAG 레이저의 기본 주파수는 광 스펙트럼의 적외선(IR) 영역에서 1064nm이지만 광 고조파 결정 발생기를 도입하면 레이저의 파장을 자외선(UV) 영역으로 밀어낼 수 있습니다. , 266nm(4차 고조파) 및 213nm(5차 고조파)는 엑시머의 레이저 파장을 모방합니다. 더 높은 고조파 발생기를 사용하면 산화물 박막16,17,18의 성공적인 성장이 가능했지만, 대상의 부적합한 절제와 불균일성을 초래할 수 있는 것으로 알려진 고조파 발생기를 사용하여 레이저 출력 에너지가 엄청나게 감소하는 등의 제한 사항이 있습니다. 레이저 빔 프로파일의 측면에서 엑시머 레이저에 비해 매력이 떨어집니다.