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.
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.