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Laboratorio Deposizione Film Sottili: Ablazione Laser

L’ablazione è un processo che coinvolge meccanismi fisici molto complessi per l’alta energia e l’alta potenza utilizzata. Nel caso dell’ablazione laser, viene impiegata una sorgente di radiazione laser impulsata (Pulsed Laser Ablation) che, una volta focalizzata attraverso un’opportuna lente, incide sulla superficie del materiale in cui si vuole indurre l’ablazione.

processo di ablazione laserprocesso di ablazione laser

Nella deposizione di film sottili tale materiale, detto target viene ablato ed il materiale emesso si deposita su un substrato sotto forma di film. La densità di energia incidente sul target dipende dalle caratteristiche intrinseche del target come il coefficiente di assorbimento della radiazione da parte del materiale.Il riscaldamento del materiale (T>2000K) porta alla conseguente formazione di un plasma di elettroni e di ioni, oltre ad atomi ed aggregati molecolari, che si espandono nella caratteristica forma a piuma verso il substrato.
La PLD è una tecnica molto utilizzata per la sua versatilità e perché permette di depositare materiali anche molto complessi conservando la stechiometria del target di partenza.

Schema del sistema PLDSchema del sistema PLD piuma formata dall’interazione laser-targetPiuma formata dall'interazione
laser-target





L’apparato sperimentale per la PLD è composto da una camera da vuoto a cui è collegato un sistema di pompaggio costituito da una pompa rotativa e una pompa turbomolecolare collegata in serie alla precedente, per cui la pressione di background a cui si lavora è generalmente dell’ordine di 10-7 Torr. Uno dei laser più utilizzati per l’ablazione è il laser ad eccimeri (XeCl), è caratterizzato da un’alta energia e da una lunghezza d’onda nell’ultravioletto (308 nm) ed è utilizzato principalmente per la deposizione di materiali ceramici ed ossidi vari. All’interno della camera da vuoto sono presenti, uno di fronte all’altro, il portatarget multiplo e il portacampioni costituito da un blocchetto cilindrico di acciaio all’interno del quale è posta una spirale di filo resistivo (Thermocoax) che viene alimentato permettendo il riscaldamento del substrato per effetto Joule. Il fascio laser, una volta focalizzato, entra nella camera da vuoto attraverso una finestra trasparente all’ultravioletto e incide sul target a 45° rispetto alla normale target-substrato. La camera da vuoto è inoltre equipaggiata con linee di gas e flussimetri per poter gestire anche deposizioni in atmosfera controllata di vari gas, quali Ar, O2, N2 etc. a seconda delle necessità.

Nel laboratorio disponiamo di due impianti, per la deposizione mediante ablazione laser (PLD), dedicati alla deposizione di film superconduttori ad alta temperatura critica, principalmente a base di YBCO, su substrati monocristallini e/o metallici allo scopo di realizzare nastri superconduttori per applicazioni di potenza. Tale linea di ricerca richiede la possibilità di realizzare tutta la struttura del nastro, a partire da film ceramici costituiti generalmente da ossidi (CeO2, Y2O3, MgO etc.) che abbiano il ruolo di buffer layer fino al film superconduttore stesso. I buffer layer hanno generalmente il ruolo di controllare la diffusione dal substrato al film superconduttore, che ne deprime le proprietà superconduttive, di limitare l’ossidazione del substrato durante la deposizione ad alta temperatura ed in atmosfera ossidante e di adattare le proprietà fisico-chimiche del substrato e del film superconduttore. I laser disponibili nei nostri laboratori sono entrambi ad eccimeri XeCl ma hanno caratteristiche differenti, il primo ha un’energia massima di 150mJ ed una frequenza massima di 100Hz mentre l’altro ha un’energia massima di 200mJ ed una frequenza massima di 200Hz.,

Impianto per PLD con laser a 200Hz/200mJImpianto per PLD con laser a 200Hz/200mJ Impianto per PLD con laser a 100Hz/150mJImpianto per PLD con laser a 100Hz/150mJ