Ablation laser pulsé

Principe de la technique

L’ablation laser pulsé (PLD pour Pulsed Laser Deposition) est une méthode physique de dépôt en couches minces. La PLD consiste à focaliser un laser UV haute énergie sur une cible composée du matériau que l’on souhaite déposer sous la forme de film mince. L’absorption de ce faisceau laser par la cible va permettre d’ioniser les atomes de surface, puis de former une “plume” plasma perpendiculaire à la cible. Les particules éjectées qui sont contenues dans la plume vont alors venir se condenser sur un substrat monocristallin positionné en face de la cible. Ces dépôts sont réalisés dans une enceinte sous atmosphère contrôlée. Les films minces peuvent donc être élaborés sous vide poussé ou bien sous une pression partielle de gaz réactifs ou inertes.

Beaucoup de paramètres peuvent influencer la croissance des films minces comme l’énergie du laser, la fréquence et le nombre d’impulsions laser, la pression et le type de gaz utilisé, le type de substrat, la température de chauffage du substrat, la distance cible-substrat. La modification de ces paramètres permet ainsi de moduler les caractéristiques des films, comme leur épaisseur, leur cristallisation et leur orientation, leur composition, et bien sûr leurs propriétés physiques (magnétiques, électriques…). L’IPCMS possède deux chambres d’ablation laser (une première issue de la société MECA2000 nommée « R2D2 » et une seconde issue de la société TSST nommée « BB8 »), qui sont disposées de part et d’autre d’un laser UV à haute énergie.


Montage Expérimental


Laser Excimère Compex Pro COHERENT

• Laser Krypton / Fluor de longueur d‘onde λ=248nm.
• Energie maximale de 400 mJ, pour une fluence pouvant atteindre 5 J/cm².
• Impact laser très bien défini avec une forme rectangulaire et une aire de 0,016 ± 0,003 cm² (enceinte BB8).
• Une boîte optique en sortie de laser permet de diriger le faisceau du laser vers l’une ou l’autre des deux chambres d’ablation qui équipent le laboratoire: R2D2 ou BB8


Enceinte de dépôt “R2D2” :

• Carrousel permettant d’avoir jusqu’à 6 cibles simultanément dans la chambre d’ablation.
• Vide de base de 1 x 10-8 mbar. La pression à l’intérieur de la chambre de dépôt est contrôlée à l’aide de débitmètres massiques.
• Possibilité de travailler sous pression partielle de dioxygène ou d’air sec reconstitué. Le système dispose également d’un ozoneur.
• Chauffage radiatif du substrat jusqu’à 800°C avec possibilité de mise en rotation.
• Déflexion en XY du faisceau laser autorisant des dépôts par co-ablation : une platine optique comprenant un obturateur électromécanique ainsi que deux miroirs mis au mouvement par un moteur galvanométrique sont pilotés par une interface de commande qui permet également de synchroniser le déplacement du faisceau laser avec la fréquence des tirs.
• Clichés de diffraction RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) jusqu’à des pressions partielles de 5×10-3 mbar

Cliché de diffraction RHEED d’un film de La2/3Sr1/3MnO3 déposé sur un substrat de SrTiO3 (STO)


Enceinte de dépôt TSST “BB8” :

• Carrousel motorisé permettant d’avoir jusqu’à 5 cibles simultanément dans la chambre d’ablation. La motorisation des cibles permet de réaliser un balayage de la cible par le faisceau laser avec un angle d’incidence constant.
• Vide de base de 8 x 10-9 mbar. La pression à l’intérieur de la chambre de dépôt est gérée électroniquement par une ouverture contrôlée de la vanne de laminage de la pompe turbomoléculaire de la chambre.
• Atmosphère durant le dépôt : pressions partielles d’Ar ou d’O2 contrôlées par des débitmètres massiques.
• Chauffage résistif du substrat jusqu’à 900°C, avec des montées et descentes en températures très rapides.
• Sas d’introduction des substrats et des cibles permettant de garder un vide constant dans l’enceinte de dépôt.
• Boîte optique réalisée pour optimiser le chemin optique afin d’obtenir la meilleure définition possible de l’impact laser sur la cible.
• RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) haute pression permettant d’obtenir des clichés de diffraction et de suivre les oscillations RHEED jusqu’à des pressions partielles de 0,3 mbar.

Cliché de diffraction et oscillations RHEED d’un film mince de NdNiO3 déposée sur un substrat de SrTiO3 (STO).


Cette plateforme Ablation Laser est issue d’une collaboration entre le DCMI et le DON. Pour plus d’informations sur les matériaux déposés par PLD, vous pouvez consulter la page de l’équipe « oxyde en couches minces » du DCMI.

SOUTIEN TECHNIQUE:
Laurent Schlur (IE CNRS, DCMI) et Gilles Versini (IE Unistra, DON) travaillent en étroite collaboration pour assurer le bon fonctionnement du dispositif. Ils encadrent et forment les étudiants utilisant cette méthode de dépôt.
Emmanuel Sternitzky (IE Unistra, DCMI) est le référent pour l’électronique du dispositif.
Olivier Cregut (IR CNRS, DON) est le référent pour l’optique et la maintenance laser du dispositif.
L’atelier mécanique de l’IPCMS assure la réalisation des pièces mécaniques nécessaires au bon fonctionnement et à l’optimisation du dispositif.

Contact
Laurent SCHLUR: laurent.schlur@ipcms.unistra.fr
Gilles VERSINI: gilles.versini@ipcms.unistra.fr
François ROULLAND: francois.roulland@ipcms.unistra.fr


Video

exemple de depot sur R2D2 à partir de deux cibles



Galerie photo