Le laser infrarouge Nd:YAG comme alternative viable au laser excimer : étude de cas YBCO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3882 (2023) Citer cet article

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Nous rapportons exclusivement la croissance et la caractérisation des films minces d'oxydes complexes épitaxiaux YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) et des hétérostructures associées. par dépôt laser pulsé (PLD) et en utilisant la première harmonique Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) source laser pulsée (\ (\lambda\) = 1064 nm). Les hétérostructures épitaxiales à couches minces YBCO de haute qualité présentent des propriétés supraconductrices avec une température de transition \(\sim\) 80 K. Par rapport aux lasers excimer, lors de l'utilisation de lasers Nd:YAG, les conditions de croissance optimales sont obtenues sur une grande cible-substrat. distance d. Ces résultats démontrent clairement l’utilisation potentielle de la première source laser harmonique Nd:YAG comme alternative aux lasers excimer pour la communauté des couches minces PLD. Sa compacité ainsi que l'absence de tout problème de sécurité lié aux gaz toxiques représentent une avancée majeure dans le dépôt de composés multi-éléments complexes sous forme de films minces.

Les films minces d'oxyde de pérovskite présentent d'innombrables propriétés en électronique, en magnétisme et en optique simplement en ajustant/dopant les éléments cationiques ainsi que la teneur en oxygène1,2,3,4,5,6. Le dépôt laser pulsé (PLD) est devenu une installation de croissance de couches minces de pointe dans la communauté des oxydes après la démonstration réussie du transfert stœchiométrique de YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) supraconducteur. Oxyde complexe O\(_{7-\delta }\) (YBCO)7 par laser excimer KrF de longueur d'onde \(\lambda\) = 248 nm. Depuis lors, les lasers excimères KrF sont devenus un outil dominant pour la croissance de films minces d'oxydes complexes de très haute qualité8,9,10,11 avec des applications allant de la recherche fondamentale sur les matériaux aux industries avancées de fabrication de semi-conducteurs pour les dispositifs12,13,14. Cependant, de sévères limitations surviennent concernant l’utilisation des lasers excimer dans les laboratoires PLD du monde entier. Les lasers Excimer sont constitués en grande partie d'un mélange de gaz rares (96 % Ne, 3,5 % Kr/Ar) et les 0,05 % restants appartiennent au mélange halogène (c'est-à-dire F/Cl) dans He, présent dans la chambre de décharge. L'utilisation de lasers excimer soulève souvent des inquiétudes quant à des problèmes de sécurité (par exemple la présence de gaz hautement toxiques), nécessitant ainsi des infrastructures coûteuses pour permettre leur utilisation. De plus, en raison de la demande toujours croissante et de la rareté des ressources en gaz rares, le coût du mélange gazeux prémélangé KrF a considérablement augmenté ces dernières années. À cet égard, pour réduire leur consommation, les industries ont également intégré des moyens de recycler ces gaz et ont atteint jusqu'à 85 % du taux de recyclage des gaz avec une production d'énergie laser stable15. Pourtant, le temps d'attente pour les mélanges gazeux de prémélange a considérablement augmenté ces dernières années, entravant non seulement le bon déroulement des activités quotidiennes, mais augmentant également considérablement les coûts de maintenance des lasers.

Pour réduire les coûts et les longs délais d'attente liés à la non-disponibilité de mélanges de gaz rares pour les lasers excimer, les scientifiques des matériaux ont commencé à incorporer du Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} à l'état solide. \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) lasers dans le processus de croissance PLD. Le laser Nd:YAG utilise des cristaux inorganiques pour la production d'un rayonnement laser hautement énergétique, excluant ainsi tout problème de sécurité concernant la présence de gaz toxiques. La fréquence fondamentale du laser Nd:YAG est de 1 064 nm dans la région infrarouge (IR) du spectre lumineux, mais en introduisant les générateurs de cristaux harmoniques optiques, la longueur d'onde du laser peut être poussée vers la région ultraviolette (UV), c'est-à-dire , 266 nm (4e harmoniques) et 213 nm (5e harmoniques) imitant les longueurs d'onde du laser de l'excimer. Bien que l'utilisation de générateurs d'harmoniques plus élevés ait permis la croissance réussie de films minces d'oxydes16,17,18, des limitations telles qu'une énorme réduction de l'énergie de sortie du laser en utilisant des générateurs d'harmoniques qui sont connus pour entraîner éventuellement une ablation incongrue de la cible19 et une inhomogénéité dans le profil du faisceau laser les ont rendus moins attractifs par rapport aux lasers excimer.