Nd:YAG laser infravermelho como uma alternativa viável ao excimer laser: estudo de caso YBCO

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3882 (2023) Citar este artigo

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Nós relatamos o crescimento e caracterização de filmes finos de óxido complexo epitaxial YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\)O\(_{7-\delta }\) (YBCO) e heteroestruturas relacionadas exclusivamente por Deposição de Laser Pulsado (PLD) e usando fonte de laser pulsado Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5}\)O\(_{12}\) (Nd:YAG) de primeira harmônica (\ (\lambda\) = 1064 nm). As heteroestruturas de filme fino YBCO epitaxial de alta qualidade exibem propriedades supercondutoras com temperatura de transição \(\sim\) 80 K. Em comparação com os excimer lasers, ao usar lasers Nd:YAG, as condições ideais de crescimento são alcançadas em um grande alvo para substrato distância D. Esses resultados demonstram claramente o uso potencial da fonte de laser Nd:YAG de primeiro harmônico como uma alternativa aos lasers excimer para a comunidade de filmes finos PLD. Sua compacidade, bem como a ausência de problemas de segurança relacionados a gases venenosos, representam um grande avanço na deposição de compostos multielementares complexos na forma de filmes finos.

Os filmes finos de perovskita de óxido hospedam inúmeras propriedades em eletrônica, magnetismo e óptica apenas ajustando/dopando os elementos catiônicos, bem como o conteúdo de oxigênio1,2,3,4,5,6. A deposição a laser pulsado (PLD) tornou-se uma instalação de crescimento de filme fino de última geração na comunidade de óxidos após a demonstração bem-sucedida da transferência estequiométrica de supercondutor YBa\(_{2}\)Cu\(_{3}\) Complexo O\(_{7-\delta }\) (YBCO) óxido7 por KrF excimer laser de comprimento de onda \(\lambda\) = 248 nm. Desde então, os excimer lasers KrF emergiram como uma ferramenta dominante para o crescimento de filmes finos de óxidos complexos de alta qualidade8,9,10,11 com aplicações que vão desde pesquisa de materiais fundamentais até indústrias avançadas de fabricação de semicondutores para dispositivos12,13,14. No entanto, surgem limitações severas em relação ao uso de excimer lasers em laboratórios de PLD em todo o mundo. Excimer lasers consistem em grande parte de uma mistura de gases nobres (96% Ne, 3,5% de Kr/Ar) e os 0,05% restantes pertencem à mistura de halogênio (ou seja, F/Cl) em He, presente na câmara de descarga. A utilização de excimer lasers muitas vezes levanta preocupações sobre questões de segurança (por exemplo, presença de gases altamente venenosos), exigindo assim infra-estruturas dispendiosas para permitir a sua utilização. Além disso, devido ao aumento constante da demanda e à escassez de recursos de gás nobre, o custo da mistura de gás pré-misturado KrF aumentou tremendamente nos últimos anos. Nesse sentido, para reduzir seu consumo, as indústrias também incorporaram formas de reciclar esses gases e atingiram até 85% da taxa de reciclagem de gás com saída estável de energia do laser15. No entanto, o tempo de espera para as misturas de gases pré-misturados aumentou consideravelmente nos últimos anos, não apenas impedindo o bom fluxo das atividades do dia-a-dia, mas também aumentando tremendamente os custos de manutenção dos lasers.

Para reduzir os custos e os longos tempos de espera decorrentes da indisponibilidade de misturas de gases nobres para os excimer lasers, os cientistas de materiais começaram a incorporar o estado sólido Nd:Y\(_{3}\)Al\(_{5} \)O\(_{12}\) (Nd:YAG) no processo de crescimento do PLD. O laser Nd:YAG utiliza cristais inorgânicos para a produção de radiação laser altamente energética, descartando, portanto, qualquer problema de segurança quanto à presença de gases venenosos. A frequência fundamental do laser Nd:YAG é de 1064 nm na região infravermelha (IR) do espectro de luz, mas ao introduzir os geradores ópticos de cristal harmônico, o comprimento de onda do laser pode ser empurrado para a região ultravioleta (UV), ou seja, , 266 nm (4ª harmônica) e 213 nm (5ª harmônica) imitando os comprimentos de onda do laser do excimer. Embora o uso de geradores harmônicos mais altos tenha permitido o crescimento bem-sucedido de filmes finos de óxido16,17,18, limitações como uma enorme redução na energia de saída do laser pelo uso de geradores harmônicos que possivelmente resultam em uma ablação incongruente do alvo19 e falta de homogeneidade no perfil do feixe de laser os tornaram menos atraentes em relação aos excimer lasers.