Tenké vrstvy pro lékařství 1. Laserové vrstvy ( metody přípravy vrstev, laser, princip metody pulzní laserové depozice PLD, růst vrstev, )

Transkript

1 Tenké vrstvy pro lékařství 1. Laserové vrstvy ( metody přípravy vrstev, laser, princip metody pulzní laserové depozice PLD, růst vrstev, ) 2. Vybrané vrstvy a aplikace - gradientní vrstvy, nanokrystalické vrstvy - vlnovodové vrstvy (aktivní, pasivní) - vrstvy v lékařství

2 Co to jsou tenké vrstvy? Tenké vrstvy dvoudimenzionální objekty s třetím rozměrem (tloušťkou) velmi malým, tj. asi 1mikrometr až 1 nanometr. Značně velký poměr povrch / objem vrstvy. Tenké vrstvy v optice tloušťka vrstvy řádově rovna délce vlny viditelného světla (asi 500 nm). Tlusté vrstvy asi nad 5 mikrometrů (10 mm, 50 mm) (pro Langmuir. vrstvy je tlustá vrstva několik stovek nam) Povlaky, fólie

3 TV technologie Vrstvy modifikace povrchu, depozice (nanášení) Depozice fyzikální - PVD, chemické - CVD, PECVD (PACVD) PVD physical vapor deposition napařování (termické, vakuové,..) naprašování (diodové, magnetronové, ECR, supersonická tryska, ) iontové plátování plazmový nástřik laserová depozice

4 Srovnání depozičních technologií ROZDÍLY : regulace teploty podložky, vakuového systému, kontrola přenosu vícesložkových materiálů, depoziční rychlosti, depoziční tlaky, depozice organickýchdielektrických,- vodivých materiálů, tepelný proces, energetický proces, epitaxe, velikost deponované plochy, náklady, změna a spotřeba materiálu, homogenita povrchu, atd. PLD ALL CVD S IBAD, IBD, ICBD, IVD, TE ALE, AMBE, MBE 1, , , tlak [Pa] IBAD- ion beam assisted deposition, IBD- Ion beam deposition, ICBD- Ion cluster beam deposition, IVD- Ionised vapor deposition, TE- Thermal evaporation, ALE- Atomic layer epitaxy, AMBE- Accelerated molecular beam epitaxy, MBE- molecular beam epitaxy, S- sputtering S

5 LASER Laser- optický kvantový generátor. Light Amplification by the Stimulated Emmission of Radition Zdroj koherentního záření v IČ, viditelné nebo ultrafialové oblasti spektra, využívající jevu stimulované emise elektromagnetického záření aktivních částic (atomů, molekul, iontů, elektronů). Nezbytným předpokladem vzniku generace je dosažení inverze populace energetických hladin aktivního prostředí. Charakteristickým rysem stimulovaného záření je úzká spektrální čára, časová a prostorová koherence, vysoká směrovost a velká hustota záření (Vrbová).

6 Laserové vrstvy LASER pro ohřev, pyrolýzu, fotodisociaci Povrchová modifikace materiálů (kovová skla, rekrystalizace, legování) Laser CVD laserem stimulovaná chemická depozice Laser PA CVD laserem stimulovaná plazmochemická depozice Pulsní laserová depozice (PLD)

7 Laserové čištění povrchu (obrazy, sochy) Laserové vrstvy Laserová modifikace povrchu (legování, kovová skla) Laser - CVD

8 PLD 1 Základní experimentální uspořádání pro laserovou depozici tenkých vrstev : 3 2 vakuová depoziční komora, držák podložek umožňující ohřev podložek a přesné měření teploty, materiál terče a laser. Fokusovaný laserový svazek dopadá na terč, vysokou hustotou záření se materiál terče převede do plazmového obláčku a následně materiál kondenzuje na podložce, umístěné nad terčem. Procesy probíhající během PLD zahrnují v podstatě tři vzájemně provázané druhy interakce : laserové záření- pevná látka, plasma- pevná látka, plasma- laserové záření Schéma pulsní laserové depozice (1- laserový svazek, 2- odražeč, 3- čočka, 4- vstupní okno depoziční komory, 5- karusel s terči, 6- topný stolek s podložkou, 7- vakuový čerpací systém, 8,9- vakuové měrky 7 4 9

9 TV PLD Interakce laserového záření s terčem x I 0 RI 0 terč S Tepelný model absorpce laserového záření materiálem Absorbovaný výkon Zahřátí vrstvy o tloušťce Objem ohřátého materiálu Energie potřebná k vypaření a -1 L(t) I( x) I 0(1 - R) e L( t) 2Dt V L( t ) S -ax E mu V ru SrU 2Dt C I 0 - hustota laserového výkonu dopadající na terč RI 0 - odražená část výkonu S - plocha ozáření- stopa a -1 absorpční tloušt ka L(t) - tloušt ka zahřátí terče X vzdálenost od povrchu terče D - koeficient difúze t délka laserového impulsu m hmotnost materiálu vrstvy r - hustota terčového materiálu U sublimační energie

10 PLD šíření materiálu CCD fotografie charakterizující časový rozvoj plasmového obláčku po dopadu laserového svazku na terč (YBaCuO terč, 10 Pa O 2 v komoře). Zpoždění : a- 0.5 ms, b- 2ms, c- 3ms, d- 8 ms. CCD fotografie interakce plasmového obláčku s podložkou v časovém zpoždění : a) 6 ms, b) 8 ms, c) 10 ms, d) 50 ms. Plazmový obláček se šíří k terči zleva (následně se odráží od podložky).

11 Depoziční parametry ovlivňují růst, tloušťku, plochu a kvalitu deponovaných vrstev 1. Parametry laseru: vlnová délka (absorpční tloušťka) délka impulsu (objem zahřátého materiálu) opakovací frekvence (nukleace a růst vrstvy) 2. Interakce laserového záření s terčem: hustota výkonu laserového svazku (tvar plumu, plocha a homogenita vrstvy, energie částic plumu, růst vrstvy krystalinita, hustota) materiálové vlastnosti terče (tepelná vodivost, objemová hustota terče, absorpce, odrazivost, elektrická vodivost x rychlost šíření rozvod tepla v terči, velikost absorbovaného výkonu, objem zahřátého materiálu x tvorba kuliček x hladký povrch vrstvy)

12 Depoziční parametry ovlivňují růst, tloušťku, plochu a kvalitu deponovaných vrstev velikost stopy laserového svazku (tvar plumu, plochu a homogenitu vrstvy) 3. Interakce plasmového plumu s plynným prostředím a s podložkou: tlak a výběr plynu v depoziční komoře (tvar plumu, rychlost částic, rozklad plynu, excitace, ionizace x hustota, morfologie, krystalinita a složení vrstvy) vzdálenost terč- podložka (množství dopadajících částic, geometrie vrstvy)

13 Depoziční parametry ovlivňují růst, tloušťku, plochu a kvalitu deponovaných vrstev 4. Parametry podložky: mřížkové parametry (režim růstu vrstvy) tepelná vodivost (napětí ve vrstvě, homogenita složení vrstvy) koeficient tepelné roztažnosti (napětí ve vrstvě) teplota podložky (vazby, krystalinita) 5. Režim růstu vrstvy: depoziční rychlost frekvence opakování pulsů tloušťka vrstvy

14 Růst vrstev Tenké vrstvy jsou vytvářeny na podložce procesem : kondenzace, nukleace růstu. Počátečním stavem je formování malých klastrů materiálu vrstvy z jednotlivých atomů a molekul. S časem je stále více klastrů nukleováno, klastry rostou, spojují se a nakonec se vytváří spojitá vrstva (film), která se pak Růst zesiluje. vrstev Nukleační proces různých metod přípravy vrstev může být kvantitativně podobný, ale je velmi různý v detailech. Některé ze základních procesů jsou schematicky zobrazeny na obr. dopadající znovuodpaření atomy R (cm -2 s -1 ) metastabilní kritické přímý klastry klastry dopad růst povrchová difuze D (cm 2 s -1 ) podložka o teplotě T (N 0 míst) Procesy nukleace a růstu vrstvy na substrátu

15 Růst vrstev Frank-van der Merve Volmer-Weber Stranski-Krastanov Schématické znázornění tří modelů epitaxního růstu vrstev.

16 Růst vrstev YBCO c a b Podložka Podložka (I) (II) Podložka Podložka (III) (IV) Schématické znázornění kvality vrstev YBaCuO z hlediska krystalografické orientace

17 Přednosti a nevýhody PLD Výhody 1. stechiometrická depozice i vícesložkových materiálů (za vhodných depozičních podmínek) 2. vysoká rychlost depozice (~ 1 nm/sec) 3. laser je umístěn vně vakuové komory pouze místní ohřátí a odpaření materiálu 4. jednoduchost, flexibilita a univerzálnost experimentálního zařízení, relativně nízká cena systému 5. malý a geometricky jednoduchý terč, malá spotřeba materiálu, nízká cena 6. vytváření epitaxních vrstev za relativně nízkých teplot 7. možnost vytváření vrstev a multivrstvových struktur různých a vícesložkových materiálů 8. PLD proces je charakterizován rychlým a čistým lokálním ohřevem povrchu terče, což minimalizuje kontaminaci vytváření vrstev

18 Přednosti a nevýhody PLD Nedostatky PLD Problém homogenního pokrytí velké plochy z důvodu úzkého úhlového rozložení částice emitovaných z terče (ALE i pokrytí podložek až o průměru 5 10 cm) Povrch deponované vrstvy může být znehodnocen přítomností kuliček materiálu (ALE lze vytvářet i multivrstvy a vlnovodové vrstvy)

19

20 Podložka + topný stolek Plazma Terč

21

22 Interakční komora Excimerový laser

23 TV PLD hybridní systémy Pulsní laserová depozice (KrF excimer) + multivrstvy RF výboje MHz (mezi elektrodami, elektroda- komora, výboj v duté katodě) PLD + magnetronové naprašování + RF výboje Výsledek - monokrystalické, polykrystalické, nanokrystalické a amorfní vrstvy - gradientní vrstvy, nano-kompozitní vrstvy, supermřížky

24 TV b- C 3 N 4 (grant INCO Copernicus) RF + pulsní modulace laserový svazek (l=248 nm, 5 ev) podložka živá elektroda elektroda N 2, N, N +, N W/cm 2 C, C +, C 2+, C ++, C 3 + Grafitový terč

25 TV b-c 3 N 4 (grant INCO Copernicus) podložka uzemněná elektroda N 2 uzemněná elektroda podložka N 2 živá elektroda živá elektroda

26 TV b-c 3 N 4 (grant INCO Copernicus)

27 TV TiC (PLD + magnetron)

28 Gradientní vrstvy C Ti Si Vzorek TD 5, laser- magnetron

29

30

31 TV PLD + magnetron + RF

32 PLD + magnetron + RF

33 Vrstvy Supravodiče Feroelektrika DLC vrstvy CN X vrstvy Hydroxyapatity Polymery Kvazikrystaly(QC) Planární vlnovody Charakterizace vrstev Charakterizace vlastností XRD, SEM, RHEED, WDX, HRTEM, AES, elektrická měření (Jc, R(t), RTRM, MSR) XRD, SEM, PIXE, RBS, EDS, FTIR, elektrická měření (remanentní polarizace, ztrátový činitel, permitivita), optická měření (luminiscence, elipsometrie) XRD, SEM, FTIR, RBS, XPS, TOFMS, RIS, Ramanův rozptyl, mechanické vlastnosti (mechanické pnutí, mikrotvrdost), optické vlastnosti (index lomu, transmise v UV, VIS, IČ oblasti, šířka zakázaného pásu), elektrické vlastnosti (měrný odpor) XRD, SEM, FTIR, XPS, EELS, ERD, EDX, RBS, WDX, AES, PIXE, Ramanův rozptyl, elektrický odpor, mechanické vlastnosti (mikrotvrdost, adheze, hustota vrstev, mechanické pnutí) XRD, SEM, PIXE, RBS, TOFMS, mikrotvrdost, adheze, osseointegrace, mikrotoxicita, růst buněk XRD, SEM, FTIR, XPS, měření citlivosti na plyny XRD, SEM, index lomu, odpor, LILCM XRD, SEM, RBS, ICPMS, RBS chanelling, optické vlastnosti (spektrální elipsometrie, luminiscence, fluorescenční útlum doba života, módová spektroskopie počet módů, ztráty)