La epitaxia láser térmica (TLE) es una técnica de deposición física de vapor que utiliza la irradiación de láseres de onda continua para calentar fuentes locales para hacer crecer películas sobre un sustrato. [1] [2] Esta técnica se puede realizar bajo una presión de vacío ultra alta o en presencia de una atmósfera de fondo, como ozono , para depositar películas de óxido. [3]
La TLE opera a densidades de potencia entre 10 4 – 10 6 W/cm 2 , lo que da como resultado la evaporación o sublimación del material de origen, sin que se produzcan especies de partículas de plasma o de alta energía. A pesar de operar a densidades de potencia comparativamente bajas, la TLE es capaz de depositar muchos materiales con bajas presiones de vapor , incluidos metales refractarios , un proceso que es difícil de realizar con epitaxia de haz molecular . [4]
La TLE utiliza láseres de onda continua (normalmente con una longitud de onda de alrededor de 1000 nm) ubicados fuera de la cámara de vacío para calentar fuentes de material con el fin de generar un flujo de vapor a través de la evaporación o sublimación. [1] Debido a la naturaleza localizada del calor inducido por el láser, una parte de la fuente puede transformarse en un estado líquido mientras que el resto permanece sólido, de modo que la fuente actúa como su propio crisol. La fuerte absorción de luz hace que el calor inducido por el láser esté altamente localizado a través del pequeño diámetro del haz láser, lo que también puede tener el efecto de confinar el calor al eje de la fuente. La absorción resultante corresponde a una profundidad de penetración de fotones típica del orden de 2 nm debido a los altos coeficientes de absorción de α ~ 10 5 cm −1 de muchos materiales. La pérdida de calor a través de la conducción y la radiación localiza aún más la región de alta temperatura cerca de la superficie irradiada de la fuente. El carácter localizado del calentamiento permite que muchos materiales se cultiven mediante TLE a partir de fuentes independientes sin un crisol. Debido a la transferencia directa de energía del láser a la fuente, la TLE es más eficiente que otras técnicas de evaporación como la evaporación y la epitaxia de haz molecular , que normalmente dependen de calentadores Joule basados en cables para alcanzar altas temperaturas.
Al calentar la fuente, se produce un flujo de vapor, cuya presión frecuentemente tiene una relación aproximadamente exponencial con la temperatura. Luego, el vapor se deposita sobre un sustrato calentado por láser. Las temperaturas de sustrato muy altas que se pueden alcanzar mediante el calentamiento por láser permiten el uso de modos de crecimiento controlados por adsorción , similares a la epitaxia de haz molecular , lo que garantiza un control preciso de la estequiometría y la temperatura de la película depositada. Este control preciso es valioso para el crecimiento de heteroestructuras de película delgada de materiales complejos, como superconductores de alta Tc . [ 5] [6] Al colocar todos los láseres fuera de la cámara de evaporación, se puede reducir la contaminación en comparación con el uso de calentadores in situ , lo que da como resultado películas depositadas de alta pureza.
La velocidad de deposición del vapor que incide sobre el sustrato se controla ajustando la potencia del láser de la fuente incidente. La velocidad de deposición aumenta frecuentemente de manera exponencial con la temperatura de la fuente, que a su vez aumenta de manera lineal con la potencia del láser incidente. [4] La estabilidad en la velocidad de deposición se puede lograr moviendo continuamente el haz láser alrededor de la fuente, mientras se compensa cualquier recubrimiento de cualquier óptica láser dentro de la cámara TLE. [7]
El gas de la cámara se puede incorporar a la película de deposición. Con la adición de una atmósfera de oxígeno u ozono, las películas de óxido se pueden formar fácilmente con TLE a presiones de hasta 10 −2 hPa. [3] [8]
Poco después de la invención del láser por Theodore Maiman en 1960, [9] se reconoció rápidamente que un láser podía actuar como una fuente puntual para evaporar el material fuente en una cámara de vacío para fabricar películas delgadas. [10] [11] En 1965, Smith y Turner [11] lograron depositar películas delgadas utilizando un láser de rubí, después de lo cual Groh depositó películas delgadas utilizando un láser de CO 2 de onda continua en 1968. [12] Trabajos posteriores demostraron que la evaporación inducida por láser es una forma eficaz de depositar películas dieléctricas y semiconductoras. Sin embargo, surgieron problemas con respecto a la estequiometría y la uniformidad de las películas depositadas, lo que disminuyó su calidad en comparación con las películas depositadas por otras técnicas. [13] [14] Los experimentos para investigar la deposición de películas delgadas utilizando un láser pulsado a altas densidades de potencia sentaron las bases para la deposición por láser pulsado , una técnica de crecimiento extremadamente exitosa que se usa ampliamente en la actualidad.
Durante la segunda mitad del siglo XX se siguieron realizando experimentos con láseres de onda continua, lo que puso de relieve las numerosas ventajas de la evaporación con láser de onda continua, incluidas las bajas densidades de potencia, que pueden reducir el daño superficial a las películas sensibles. Resultó complicado lograr una evaporación congruente a partir de fuentes compuestas utilizando láseres de onda continua, y la deposición de películas se limitaba normalmente a fuentes con altas presiones de vapor debido a las bajas densidades de potencia de onda continua disponibles. [15] [16] [17]
En 2019, en el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido se redescubrió la evaporación de fuentes mediante láseres de onda continua , técnica que se denominó «epitaxia térmica por láser». Esta nueva técnica utiliza fuentes elementales iluminadas por láseres de onda continua de alta potencia (normalmente con potencias máximas de alrededor de 1 kW a una longitud de onda de 1000 nm), lo que permite la deposición de materiales de baja presión de vapor, como el carbono y el tungsteno, evitando al mismo tiempo los problemas de evaporación congruente de las fuentes compuestas. [1] [2]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace ){{cite journal}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace )Epitaxia láser térmica - Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido