Oxide semiconductor film growth by combined pulsed laser deposition

组合脉冲激光沉积法生长氧化物半导体薄膜

基本信息

批准号：
21K03523
负责人：
伊庭野健造
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高密度成膜が可能なパルスレーザー蒸着法（PLD）の欠点である形成薄膜の膜厚や組成の非均一性の課題について、背景プラズマを用いた複合PLDでの解決が期待されている。そこで本研究では複合PLDにおける物理過程の解明を目的の1つとした。本年度はマグネトロンプラズマ源を用いて実験を行った。新たにPLD専用装置を整備し、同装置にマグネトロンプラズマ源を設置し、PLD成膜の背景として従来の中性ガスに加えてプラズマが利用可能となった。同装置を用いてリチウムイオン電池の電極として一般的なLiCoO2薄膜を成膜した。成膜時にPLD及びマグネトロンのターゲット材は両社ともLiCoO2を用い不純物の混入を低減させた。ただし、マグネトロンからの成膜はなるべく生じないようにターゲットに引火するバイアスは最小限に留めた。またスパッタ量を低減させるため、アルゴンガスは使用せず、酸素ガスのみを用いたプラズマを背景とした。LiCoO2膜を1μm程度成膜した試料について、SEM、XPS、XRDなどの分析装置を用いて組成を調べた。さらに得られた薄膜をコインセルに封入し、リチウム電池としての電極性能をサイクリックボルタメトリー及び充放電試験で測定した。背景として酸素ガスを用いたPLDと酸素プラズマを用いた複合PLDにより成膜された薄膜を比較すると、酸素プラズマを用いた複合PLDの試料のほうが良好な結果を示し、電池特性も優れることが示された。

使用背景等离子体的复合PLD有望解决所形成薄膜的厚度和成分不均匀的问题，这是脉冲激光沉积（PLD）的一个缺点，它允许高密度薄膜形成。因此，本研究的目的之一是阐明复合 PLD 中的物理过程。今年，我们使用磁控管等离子体源进行了实验。安装了新的PLD专用设备，并在设备中安装了磁控等离子体源，使得除了传统的中性气体之外还可以使用等离子体作为PLD成膜的背景。使用相同的设备，我们沉积了 LiCoO2 薄膜，该薄膜通常用作锂离子电池的电极。在成膜过程中，两家公司都使用LiCoO2作为PLD和磁控管的靶材，以减少杂质污染。然而，将点燃靶材的偏压保持在最低限度，以防止磁控管形成薄膜。此外，为了减少溅射量，不使用氩气，而使用仅使用氧气的等离子体作为背景。使用SEM、XPS、XRD等分析设备，研究了约1μm的LiCoO2膜的样品的组成。另外，将得到的薄膜密封在纽扣电池中，通过循环伏安法和充放电试验测定作为锂电池的电极性能。比较使用氧气作为背景的PLD和使用氧等离子体的复合PLD形成的薄膜，使用氧等离子体的复合PLD样品表现出更好的结果并且还表现出优异的电池特性。