成分可变的熵稳定氧化物的块体与薄膜合成

该实验流程有助于解答功能氧化物领域中的关键科学问题，例如化学与物理无序如何直接影响长程磁性。该技术的主要优势在于能够对材料化学性质进行高度调控，并可应用于多种外延应变氧化物（ESO）组分。本实验流程由本实验室的研究生 Peter Meisenheimer 示范展示。

首先，研磨所需的氧化物粉末，并使用模具压机将粉末压制成坯体以形成靶材。在空气中将靶材于 1,100 摄氏度下烧结 24 小时。然后，在仍保持 1,100 摄氏度时，从炉中取出盛有靶材的坩埚。

使用坩埚钳将靶材放置在相同的耐热表面上。等待靶材停止发光后，迅速将其浸入室温水中进行淬火。当靶材不再发生溅射时，将其从水中取出，并放置一旁自然晾干。

待靶材冷却并干燥后，计算其靶材密度及理论密度百分比。若测得的密度不满足脉冲激光沉积的要求，则需将靶材重新研磨并再次烧结。根据需要，可按此方法制备额外的靶材。

使用碳化硅砂纸以逐渐细化的粒度，按圆形轨迹对每个靶材进行抛光，直至表面呈现均匀的镜面光泽。将抛光后的靶材存放于干燥器中，待准备进行脉冲激光沉积实验时取出。确保已准备好波长为248纳米、脉冲宽度约为20纳秒的氟化氪脉冲准分子激光器以供使用。

将抛光后的靶材放置于沉积室内的旋转转盘上。在光束路径末端的靶材上放置一块 2 厘米 × 2 厘米的烧蚀纸。发射一次激光脉冲，并测量在两个轴向上形成的烧蚀痕迹。

调节聚焦透镜，直至光束脉冲形成一个0.27厘米×0.24厘米的椭圆。然后取下烧纸，关闭腔室门。使用干式旋片粗抽泵将腔室抽真空至0.5托（67帕斯卡）。

然后将涡轮泵加速至 1,000 赫兹，并将沉积室抽真空至基础压力至少达到 10 的负 7 次方托（torr）或 1.3 × 10⁻⁵ 帕斯卡（pascal），该压力由电离规测量确定。达到该压力后，将涡轮泵转速降至 200 赫兹。接下来，将单晶单面抛光的氧化镁基底分别在半导体级三氯乙烯、半导体级丙酮和高纯异丙醇中各超声处理两分钟。

使用超干燥的压缩氮气吹干基底。用少量导热银胶将基底固定在基底加热台（substrate platen）上。将基底和加热台置于加热板上，在100摄氏度下加热10分钟，以固化银胶。

使用外部传输工具将基底托盘放置在脉冲激光沉积（PLD）系统的负载锁中的传输臂上。关闭负载锁，并将其抽真空至至少10⁻⁷托（1.3×10⁻⁵帕）或更低。然后打开负载锁与沉积室之间的闸阀，利用传输臂将托盘安装到加热组件上。

将传输臂缩回负载锁并关闭闸阀。降低加热器，使衬底与目标之间的距离为七厘米。接下来，将能量计放置在进入腔室前的光束路径上。

以每秒两个脉冲的频率，用激光脉冲照射能量计上的光电二极管，共照射50次，测定平均能量。调节激光激发电压，使脉冲平均能量达到310毫焦，稳定性控制在±10毫焦范围内。完成后移除能量计。

在真空条件下，以每分钟30摄氏度的速率将基底加热至1,000摄氏度。在此温度下保持基底30分钟，以脱除氧化镁晶体表面的羟基。随后，以每分钟30摄氏度的速率将基底冷却至300摄氏度，并使基底在该温度下平衡10分钟。

当氧分压稳定后，设定所需的目标靶材进行光栅扫描和旋转，并确保基底快门处于关闭状态。以5赫兹的频率对靶材进行2,000次脉冲烧蚀。然后打开基底快门，以6赫兹的频率发射激光10,000次，从而在基底上沉积一层厚度约为80纳米的熵稳定氧化物薄膜。

沉积完成后，将腔室中的氧分压升高至1托（133帕斯卡），以抑制氧空位的形成。以每分钟10摄氏度的速率将样品冷却至40摄氏度。然后关闭氧气气流，使腔室压力稳定。

打开闸阀，升起加热器，使用传输臂将基片托盘移入负载锁。关闭闸阀，向负载锁充气至大气压。使用外部传输工具取出基片托盘。

使用剃刀刀片将样品与载物台分离。实验结束后，对载物台进行抛光，以去除银漆和沉积材料。块体陶瓷形式的钴变体和铜变体熵稳定氧化物的θ-2θ X射线衍射结果显示，所合成的样品具有岩盐结构，且无次要相存在。

沉积的薄膜为单晶结构，并且相对于取向为零-零-一的氧化镁衬底呈外延生长，这由仅观察到薄膜的零-零-二和零-零-四衍射峰所证实。在这些衍射峰周围观察到劳厄条纹，表明薄膜具有高质量的晶体结构以及平整的界面。振荡周期对应于薄膜厚度约为80纳米。

X射线光电子能谱显示，其组成阳离子处于+2氧化态，若适用，则为高自旋态。由这些谱图计算得到的成分与标称成分相符，误差小于1%。能量色散X射线光谱图与标称成分一致，表明薄膜在化学上是均匀的。

原子力显微镜显示，薄膜在5微米×5微米的扫描范围内平坦，其均方根粗糙度达到亚晶胞级别。小角度θ-2θ X射线衍射数据与这些粗糙度数值相符。所有薄膜的峰谷粗糙度均约为3.3埃。

熵稳定氧化物是一个具有许多理想特性的新兴研究领域。观看本视频后，您应能够充分理解如何合成块体和薄膜形式的熵稳定氧化物材料。脉冲激光沉积（PLD）是制备高质量单晶薄膜的理想方法，可用于研究奇异的功能特性，因此是开展薄膜熵稳定氧化物研究的最佳技术。