Publicação

Ferroelectric thin film nanostructures by laser ablation

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Materiais compósitos multiferróicos são de grande interesse para aplicações tecnológicas devido ao efeito de acoplamento magnetoeléctrico, através do qual se pode usar um campo eléctrico (magnético) para controlar a magnetização (polarização). Este efeito pode ser aumentado consideravelmente sob a forma de filmes finos através de engenharia de tensões, ou seja, a indução propositada de tensões na estrutura cristalina ao combinar materiais com parâmetros de rede distintos. Existem vários métodos para produzir as estruturas compósitas, sendo a ablação laser pulsada num gás de fundo notável pela sua simplicidade e controlo preciso dos parâmetros de deposição, nomeadamente da pressão do gás e da distância alvo-substrato. Contudo, a optimização dos parâmetros de deposição de forma a obter filmes com a microestrutura pretendida ainda é feita à base de tentativa e erro, justificando a modelização da dinâmica da pluma de ablação no gás de fundo a fim de tentar prever a estrutura resultante no filme. Neste estudo, sistemas compósitos multiferróicos foram produzidos por ablação laser pulsada. Os sistemas estudados foram filmes finos de niobato de lítio (LiNbO3, ferroeléctrico) depositados em sub stratos de Si e de Si\Pt, e filmes finos bi-camada de LiNbO3/CoFe2O4 (ferrite de cobalto, ferromagnético) depositados em substratos de Si\Pt. O LiNbO3 possui propriedades piezoeléctricas e electro-ópticas el evadas enquanto que o CoFe2O4 tem uma magnetostrição, magnetização de saturação, coercividade e anisotropia magnetocristalina elevadas. Os filmes foram depositados a 650 ◦C e à temperatura ambiente, neste último caso tendo sido submetidos a um processo de recozimento pós-deposição. Foram usadas diferentes combinações de pressão e distância alvo-substrato. Estudaram-se os filmes usando técnias de microscopia electrónica, nomeadamente microscopia electrónica de varrimento e feixe de iões focado. A dinâmica da pluma de ablação no gás de fundo foi modelizada segundo um modelo de onda de choque, resultando uma equação para a propagação da frente de onda e permitindo a determinação de uma relação pressão-distância. Ao aplicar esta relação aos filmes, foi construído um diagrama de fases das zonas do diagrama de Thornton, para ambas as temperaturas de deposição, permitindo a previsão de zona estrutural resultante para uma dada pressão e distância. Observou-se que filmes depositados à temperatura ambiente tinham uma estrutura da zona 1, modi ficada para a zona 2-3 pelo processo de recozimento. Filmes depositados a 650 ◦C tinham uma estrutura da zona 2-3 excepto quando o tempo de deposição era muito elevado. Neste caso observou-se uma estru tura da zona 1-T, resultado da espessura acrescida do filme induzir relaxamento da estrutura e defeitos. Os diagramas de fase obtidos revelam que, para que os filmes de LiNbO3 atinjam uma estrutura da zona 2-3 à temperatura ambiente, a distância alvo-substrato teria que ser baixa o suficiente tal que repulveriza ção do filme depositado se torna provável. Também se observou que, de uma forma geral, a espessura do filme e os tamanhos de grão aumentam com o tempo de deposição. Contudo, o aparecimento de uma estrutura da zona 1 para valores elevados do tempo de deposição indica a exist฀ncia de um valor óptimo, atingindo um equilíbrio entre cristalinidade do filme e microestrutura adequada, mas sem aumento da espessura ao ponto de impedir difusão de superfície ou induzir relaxamento da estrutura nos filmes.
Autores principais:	Rebelo, Tiago Miguel Pereira
Assunto:	Ablação laser Diagrama de Thornton Filme fino Multiferróico SEM Laser ablation Multiferroic Thin film Thornton diagram Ciências Naturais::Ciências Físicas
Ano:	2021
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	inglês
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	Materiais compósitos multiferróicos são de grande interesse para aplicações tecnológicas devido ao efeito de acoplamento magnetoeléctrico, através do qual se pode usar um campo eléctrico (magnético) para controlar a magnetização (polarização). Este efeito pode ser aumentado consideravelmente sob a forma de filmes finos através de engenharia de tensões, ou seja, a indução propositada de tensões na estrutura cristalina ao combinar materiais com parâmetros de rede distintos. Existem vários métodos para produzir as estruturas compósitas, sendo a ablação laser pulsada num gás de fundo notável pela sua simplicidade e controlo preciso dos parâmetros de deposição, nomeadamente da pressão do gás e da distância alvo-substrato. Contudo, a optimização dos parâmetros de deposição de forma a obter filmes com a microestrutura pretendida ainda é feita à base de tentativa e erro, justificando a modelização da dinâmica da pluma de ablação no gás de fundo a fim de tentar prever a estrutura resultante no filme. Neste estudo, sistemas compósitos multiferróicos foram produzidos por ablação laser pulsada. Os sistemas estudados foram filmes finos de niobato de lítio (LiNbO3, ferroeléctrico) depositados em sub stratos de Si e de Si\Pt, e filmes finos bi-camada de LiNbO3/CoFe2O4 (ferrite de cobalto, ferromagnético) depositados em substratos de Si\Pt. O LiNbO3 possui propriedades piezoeléctricas e electro-ópticas el evadas enquanto que o CoFe2O4 tem uma magnetostrição, magnetização de saturação, coercividade e anisotropia magnetocristalina elevadas. Os filmes foram depositados a 650 ◦C e à temperatura ambiente, neste último caso tendo sido submetidos a um processo de recozimento pós-deposição. Foram usadas diferentes combinações de pressão e distância alvo-substrato. Estudaram-se os filmes usando técnias de microscopia electrónica, nomeadamente microscopia electrónica de varrimento e feixe de iões focado. A dinâmica da pluma de ablação no gás de fundo foi modelizada segundo um modelo de onda de choque, resultando uma equação para a propagação da frente de onda e permitindo a determinação de uma relação pressão-distância. Ao aplicar esta relação aos filmes, foi construído um diagrama de fases das zonas do diagrama de Thornton, para ambas as temperaturas de deposição, permitindo a previsão de zona estrutural resultante para uma dada pressão e distância. Observou-se que filmes depositados à temperatura ambiente tinham uma estrutura da zona 1, modi ficada para a zona 2-3 pelo processo de recozimento. Filmes depositados a 650 ◦C tinham uma estrutura da zona 2-3 excepto quando o tempo de deposição era muito elevado. Neste caso observou-se uma estru tura da zona 1-T, resultado da espessura acrescida do filme induzir relaxamento da estrutura e defeitos. Os diagramas de fase obtidos revelam que, para que os filmes de LiNbO3 atinjam uma estrutura da zona 2-3 à temperatura ambiente, a distância alvo-substrato teria que ser baixa o suficiente tal que repulveriza ção do filme depositado se torna provável. Também se observou que, de uma forma geral, a espessura do filme e os tamanhos de grão aumentam com o tempo de deposição. Contudo, o aparecimento de uma estrutura da zona 1 para valores elevados do tempo de deposição indica a exist฀ncia de um valor óptimo, atingindo um equilíbrio entre cristalinidade do filme e microestrutura adequada, mas sem aumento da espessura ao ponto de impedir difusão de superfície ou induzir relaxamento da estrutura nos filmes.