Optymalizacja struktury cienkich warstw Bi2O3 domieszkowanych Er wytwarzanych techniką PLD

W pracy przedstawiono wyniki badań nad funkcjonalnymi cienkimi warstwami Bi2O3 domieszkowanymi Er3+, wytworzonymi techniką ablacji laserowej. Eksperyment przeprowadzono z zastosowaniem zoptymalizowanych parametrów procesu PLD, takich jak: energia impulsu, długość fali promieniowania laserowego, temperatura podłoża, atmosfera gazu roboczego i odległość target–substrat. Wnikliwej analizie poddano strukturę, skład chemiczny, skład fazowy oraz morfologię wytworzonych warstw tlenkowych z wykorzystaniem takich technik badawczych, jak: skaningowa mikroskopia elektronowa, mikroskopia sił atomowych, spektroskopia EDS oraz rentgenowska analiza fazowa. W ramach badań przeprowadzono również pomiary grubości, nanotwardości i przyczepności warstw Bi2O3 domieszkowanych Er3+ do monokrystalicznego podłoża MgO. Uzyskane w ten sposób wyniki pozwalają stwierdzić, że jest możliwe „przeniesienie” składu stechiometrycznego na odpowiednio przygotowaną powierzchnię z materiału tarczy, a analiza składu fazowego pozwoliła na oszacowanie udziału wysokotemperaturowej fazy δ odpowiedzialnej za zwiększoną przewodność jonową. Analiza otrzymanych wyników pozwala na precyzyjny dobór optymalnych parametrów procesu PLD do wytwarzania cienkich warstw Bi2O3 z domieszką Er3+ stabilizującą fazę δ w niższej temperaturze.

---

In this paper we present the results of research made for functional Er3+ doped Bi2O3 thin films, produced by the laser ablation technique. The experiment was performed using the optimized PLD process parameters, such as single pulse energy, laser radiation wavelength, the substrate temperature, the pressure of the working gas and the target–substrate distance. Thorough analyses of the structure, chemical and phase composition and morphology of oxide thin films were carried out using research techniques as follows: scanning electron microscopy, atomic force microscopy, EDS spectroscopy and X-ray phase analysis. The study of thickness measurements, nanohardness and adhesion of Er3+ doped Bi2O3 thin films for the single crystal MgO substrate were also performed. Thus obtained results allow to conclude that it is possible to „transfer” the stoichiometric composition of the target material to the prepared substrate and the XRD phase composition investigation revealed the presence of the high-temperature δ-Bi2O3 phase responsible for the increased ionic conductivity. Analysis of these results allows a precise selection of the optimal PLD process parameters for the preparation of high quality Er3+ doped Bi2O3 thin films stabilizing δ phase at lower temperature.