High-Throughput Multi-Plume Pulsed-Laser Deposition for Materials Exploration and Optimization

Samuel S. Mao, Xiaojun Zhang

Engineering ›› 2015, Vol. 1 ›› Issue (3) : 367-371.

PDF(2829 KB)
PDF(2829 KB)
Engineering ›› 2015, Vol. 1 ›› Issue (3) : 367-371. DOI: 10.15302/J-ENG-2015065
Research
Research

High-Throughput Multi-Plume Pulsed-Laser Deposition for Materials Exploration and Optimization

Author information +
History +

Abstract

A high-throughput multi-plume pulsed-laser deposition (MPPLD) system has been demonstrated and compared to previous techniques. Whereas most combinatorial pulsed-laser deposition (PLD) systems have focused on achieving thickness uniformity using sequential multilayer deposition and masking followed by post-deposition annealing, MPPLD directly deposits a compositionally varied library of compounds using the directionality of PLD plumes and the resulting spatial variations of deposition rate. This system is more suitable for high-throughput compound thin-film fabrication.

Keywords

pulsed-laser deposition / high-throughput

Cite this article

Download citation ▾
Samuel S. Mao, Xiaojun Zhang. High-Throughput Multi-Plume Pulsed-Laser Deposition for Materials Exploration and Optimization. Engineering, 2015, 1(3): 367‒371 https://doi.org/10.15302/J-ENG-2015065

References

[1]
I. Repins, 19.9%-efficient ZnO/CdS/CuInGaSe2 solar cell with 81.2% fill factor. Prog. Photovolt. Res. Appl., 2008, 16(3): 235–239
[2]
M. A. Contreras, Progress toward 20% efficiency in Cu(In,Ga)Se2 polycrystalline thin-film solar cells. Prog. Photovolt. Res. Appl., 1999, 7(4): 311–316
[3]
A. Ennaoui, S. Siebentritt, M. Ch. Lux-Steiner, W. Riedl, F. Karg. High-efficiency Cd-free CIGSS thin-film solar cells with solution grown zinc compound buffer layers. Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2001, 67(1−4): 31–40
[4]
T. M. Chuang, Nematic electronic structure in the “parent” state of the iron-based superconductor Ca(Fe1−xCox)2As2. Science, 2010, 327(5962): 181–184
[5]
L. Gao, Superconductivity up to 164 K in HgBa2Cam−1CumO2m+ 2+ d(m = 1, 2, and 3) under quasihydrostatic pressures. Phys. Rev. B, 1994, 50(6): 4260–4263
[6]
R. B. Merrifield. Solid phase peptide synthesis. I. The synthesis of a tetrapeptide. J. Am. Chem. Soc., 1963, 85(14): 2149–2154
[7]
D. J. Ecker, S. T. Crooke. Combinatorial drug discovery: Which methods will produce the greatest value? Biotechnology (N.Y.), 1995, 13(4): 351–360
[8]
X. D. Xiang, A combinatorial approach to materials discovery. Science, 1995, 268(5218): 1738–1740
[9]
J. Wang, Identification of a blue photoluminescent composite material from a combinatorial library. Science, 1998, 279(5357): 1712–1714
[10]
G. Briceño, H. Chang, X. Sun, P. G. Schultz, X. D. Xiang. A class of cobalt oxide magnetoresistance materials discovered with combinatorial synthesis. Science, 1995, 270(5234): 273–275
[11]
D. Dijkkamp, Preparation of Y-Ba-Cu oxide superconductor thin films using pulsed laser evaporation from high Tc bulk material. Appl. Phys. Lett., 1987, 51(8): 619–621
[12]
S. S. Mao. High throughput growth and characterization of thin film materials. J. Cryst. Growth, 2013, 379: 123–130
[13]
S. S. Mao. High throughput combinatorial screening of semiconductor materials. Appl. Phys. A, 2011, 105(2): 283–288
[14]
P. K. Schenck, J. L. Klamo, N. D. Bassim, P. G. Burke, Y. B. Gerbig, M. L. Green. Combinatorial study of the crystallinity boundary in the HfO2-TiO2-Y2O3 system using pulsed laser deposition library thin films. Thin Solid Films, 2008, 517(2): 691–694
[15]
M. Tyunina, J. Wittborn, C. Björmander, K. V. Rao. Thickness distribution in pulsed laser deposited PZT films. J. Vac. Sci. Technol. A, 1998, 16(4): 2381–2384
[16]
H. M. Christen, An improved continuous compositional-spread technique based on pulsed-laser deposition and applicable to large substrate areas. Rev. Sci. Instrum., 2003, 74(9): 4058–4062
[17]
I. Ohkubo, Continuous composition-spread thin films of transition metal oxides by pulsed-laser deposition. Appl. Surf. Sci., 2004, 223(1−3): 35–38
[18]
H. M. Christen, S. D. Silliman, K. S. Harshavardhan. A continuous compositional-spread technique based on pulsed-laser deposition and applied to the growth of epitaxial films. Rev. Sci. Instrum., 2001, 72(6): 2673–2678
[19]
L. Fister, D. C. Johnson. Controlling solid-state reaction mechanisms using diffusion length in ultrathin-film superlattice composites. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114(12): 4639–4644
[20]
K. Kennedy, T. Stefansky, G. Davy, V. F. Zackay, E. R. Parker. Rapid method for determining ternary-alloy phase diagrams. J. Appl. Phys., 1965, 36(12): 3808–3810
[21]
J. J. Hanak. The “multiple-sample concept” in materials research: Synthesis, compositional analysis and testing of entire multicomponent systems. J. Mater. Sci., 1970, 5(11): 964–971
[22]
J. D. Perkins, Combinatorial studies of Zn-Al-O and Zn-Sn-O transparent conducting oxide thin films. Thin Solid Films, 2002, 411(1): 152–160
[23]
R. B. van Dover, L. F. Schneemeyer, R. M. Fleming. Discovery of a useful thin-film dielectric using a composition-spread approach. Nature, 1998, 392(6672): 162–164
[24]
R. B. van Dover. Amorphous lanthanide-doped TiOx dielectric films. Appl. Phys. Lett., 1999, 74(20): 3041–3043
[25]
L. F. Schneemeyer, R. B. van Dover, R. M. Fleming. High dielectric constant Hf-Sn-Ti-O thin films. Appl. Phys. Lett., 1999, 75(13): 1967–1969
[26]
C. W. Teplin, Combinatorial study of reactively sputtered Cr-Ti-N. Appl. Surf. Sci., 2004, 223(1−3): 253–258
[27]
M. Tyunina, J. Wittborn, C. Björmander, K. V. Rao. Thickness distribution in pulsed laser deposited PZT films. J. Vac. Sci. Technol. A, 1998, 16(4): 2381–2384
[28]
S. I. Anisimov, B. S. Luk’yanchuk, A. Luches. An analytical model for three-dimensional laser plume expansion into vacuum in hydrodynamic regime. Appl. Surf. Sci., 1996, 96−98: 24–32
[29]
S. I. Anisimov, B. S. Luk’yanchuk, A. Luches. Dynamics of the three-dimensional expansion in a vapor produced by a laser pulse. J. Exp. Theor. Phys., 1995, 81(1): 129–138

Acknowledgements

The authors would like to thank Dr. Paul E. Burrows for critical reading of the manuscript. This research was partially supported by the US Department of Energy.
Compliance with ethics guidelines
Samuel S. Mao and Xiaojun Zhang declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.
Funding
 
AI Summary AI Mindmap
PDF(2829 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/