«Электронный душ» помог Empa выращивать пьезоплёнки на изоляторах

Исследователи из швейцарской Empa придумали способ получать качественные пьезоэлектрические тонкие плёнки на изолирующих материалах при сравнительно низкой температуре. Метод получил название Synchronized Floating Potential HiPIMS, или SFP-HiPIMS, и, по словам авторов работы, помогает точнее управлять энергией нужных ионов, не давая лишний раз разгоняться аргону. В самой группе этот короткий всплеск электронов называют «electron shower».

Пьезоэлектрические плёнки используют в RF-фильтрах, датчиках, актуаторах и небольших преобразователях энергии. Их особенность в том, что материал выдаёт электрический заряд при деформации и, наоборот, меняет форму под действием напряжения. Для таких покрытий важно не только нанести слой, но и сохранить его структуру, а с изоляторами вроде стекла или сапфира это как раз и было сложнее всего.

Команда Empa показала, что новый подход работает на нескольких изолирующих подложках. В тестах использовали плёнки алюминий-скандий-нитрида с 12% скандия, а также добились эпитаксиального роста на c-cut сапфире при температуре всего 100 °C. Авторы сообщают об улучшении кристалличности, текстуры и остаточных напряжений.

Как работает SFP-HiPIMS

Основа метода — high-power impulse magnetron sputtering, или HiPIMS. Это разновидность физического осаждения из паровой фазы, когда материал с твёрдой мишени переносится на подложку и превращается в тонкий слой. В плазме возле мишени ионы выбивают атомы из материала, а затем они летят к подложке и оседают на ней.

HiPIMS отличается короткими, но мощными импульсами вместо непрерывной работы. Из-за этого значительная часть выбитых атомов становится ионами, а ионы можно ускорять в сторону подложки. Такая энергия помогает атомам, которые только что осели на поверхность, лучше перестраиваться и занимать более удачные позиции по мере роста кристалла.

Проблема возникает тогда, когда подложка сделана из изолятора. На ней трудно создать обычное смещение напряжения, а радиочастотное смещение, которое тоже ускоряет ионы, одновременно разгоняет и ионы аргона из плазмы. Если такие энергичные ионы попадут в растущую плёнку, часть аргона может застрять внутри и изменить свойства материала. Исследователь Empa Себастьян Сиол говорит, что в твёрдых покрытиях иногда накапливается несколько процентов аргона, а для пьезоэлектрических плёнок под высоким напряжением такие примеси могут закончиться электрическим пробоем.

Решение, которое предложил в докторской работе Йотиш Патидар, строится на синхронизации. Разные ионы добираются до подложки не одновременно, и большинство ионов аргона оказывается в пути раньше, чем нужные металлические ионы успевают уйти от мишени и пересечь зазор до подложки. Если подать напряжение в нужный момент, можно ускорить только полезные ионы. SFP-HiPIMS переносит эту идею на изолирующие материалы: во время каждого импульса электроны достигают подложки быстрее тяжёлых ионов и на короткое время заряжают её отрицательно. Это временное состояние и создаёт floating potential, который затем используют для ускорения нужных металлических ионов.

По словам авторов, такой режим можно реализовать на стандартном оборудовании для осаждения. В Empa считают, что метод пригодится для электронных и полупроводниковых компонентов, которые не выдерживают высоких температур обработки. Работа опубликована в Nature Communications, а сама группа уже подала заявку на патент.

В ближайших планах у исследователей — проверка подхода на ферроэлектрических плёнках и совместные проекты с другими командами по фотонике и квантовым технологиям. Отдельно они собираются доработать процесс с помощью машинного обучения и высокопроизводительных экспериментов.