Controlled sputter deposition of oxide nanoparticles-based composite thin films

Abstract

This study explores the feasibility of deposition of composite films based on nanoparticles (NPs) using a magnetron-based gas aggregation source of NPs. First, we investigate the deposition conditions and properties of the individual components of the composite films, namely, NPs prepared using Cu and W targets. We thoroughly discuss that the generation of NPs might be more efficient in the Ar atmosphere in the case of W target due to an enhanced direct emission of NP seeds from the target and/or a longer lifetime of the seeds in the plasma. To operate reasonable fluxes of NPs for both targets, O2 was added into the gas mixture. Lower O2 flow rates promote enhanced seed formation of NPs, while higher flow rates exhibit a dominant target poisoning effect, reducing the flux of NPs. We demonstrate that a fine-tuning of O2 flow rate allows us to control the resulting crystal structure of the NPs. Fully oxidized NPs were produced at O2 flow rates of 1.30 sccm and 1.50 sccm for Cu and W targets, respectively. Subsequently, CuO/WO3 composite films were prepared using our in-house-built software as alternating NPs-based layers. To demonstrate the capabilities of the deposition technique, three different CuO/WO3 multilayers were prepared, each with a specific thickness of the individual layers (80 nm, 40 nm, and 10 nm, which corresponds to a monolayer of NPs). Scanning electron microscopy imaging shows well-defined layers with the intended thickness. In addition, XRD analysis confirms that all three multilayers exhibit practically identical patterns, indicating the same volumetric ratio of CuO and WO3 NPs in the investigated films.Tato studie zkoumá možnost přípravy kompozitních vrstev na bázi nanočástic (NČ) pomocí magnetronového zdroje s plynovou agregací NČ. Nejprve zkoumáme podmínky depozice a vlastnosti jednotlivých složek kompozitních vrstev, konkrétně NČ připravených pomocí terčů z Cu a W. Detailně diskutujeme, že tvorba NČ může být v případě terče W (oproti terči Cu) účinnější v atmosféře Ar v důsledku zvýšené přímé emise zárodků NČ z terče a/nebo delší životnosti zárodků v plazmatu. Pro dosažení přiměřených toků NČ pro oba terče byl do plynné směsi přidán O2. Nižší průtoky O2 podporují zvýšenou tvorbu zárodků NČ, zatímco vyšší průtoky vykazují dominantní efekt otravy terče, což snižuje tok NČ. Prokázali jsme, že jemné vyladění průtoku O2 umožňuje řídit výslednou krystalovou strukturu NČ. Plně oxidované NČ byly připraveny při průtoku O2 1,30 sccm a 1,50 sccm pro terče Cu a W. Následně byly pomocí našeho vlastního softwaru připraveny kompozitní vrstvy CuO/WO3 jako střídavé vrstvy na bázi NČ. Pro demonstraci možností depoziční techniky byly připraveny tři různé multivrstvy CuO/WO3, každá s určitou tloušťkou jednotlivých vrstev (80 nm, 40 nm a 10 nm). Snímky ze skenovací elektronové mikroskopie ukazují dobře definované vrstvy o zamýšlené tloušťce. Analýza XRD navíc potvrzuje, že všechny tři multivrstvy vykazují prakticky identické rentgenogramy, což svědčí o stejném objemovém poměru NČ CuO a WO3 ve zkoumaných vrstvách.