Thin-film deposition using laser ablation : application to ferromagnetic shape-memory materials and methods for spatial shaping of laser beams

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kajava, Timo; D.Sc. (Tech.)
dc.contributor.author Hakola, Antti
dc.date.accessioned 2012-02-17T07:51:30Z
dc.date.available 2012-02-17T07:51:30Z
dc.date.issued 2006-09-08
dc.identifier.isbn 951-22-8283-6
dc.identifier.issn 1795-4584
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2728
dc.description.abstract Ferromagnetic shape-memory (FSM) compounds, in particular Ni-Mn-Ga alloys, are actively studied materials due to their large, up to 10 %, shape changes in an external magnetic field. This makes it possible to realize novel actuators and sensors. So far, the research on Ni-Mn-Ga has focused on its bulk properties but for the fabrication of micromechanical components and even microscopic machines, the material should be in thin-film form. Pulsed laser deposition (PLD) is an effective technique to deposit high-quality thin films of various multicomponent materials such as Ni-Mn-Ga. PLD is based on laser ablation where high-power laser pulses are applied to stoichiometrically transfer material from a target surface onto a substrate. In this thesis, Ni-Mn-Ga films with a thickness of a few hundred nanometers were deposited on different substrates such as silicon, NaCl and small pieces of bulk Ni-Mn-Ga. The deposition parameters such as the substrate temperature and the laser-pulse energy density on the target were optimized in order that the films would be ferromagnetic and would have the desired crystal structure and a smooth surface. In addition, methods were developed to release the film from its substrate such that the necessary phase transformation for the occurrence of the shape-memory effect would be observed at low temperatures. Particularly promising results were obtained by using NaCl substrates: the magnetization was almost 70 % of the typical bulk value, the substrate could be easily removed by isotropic etching with water, and signs of the phase transformation were observed at around −100 °C. Also films on silicon were highly ferromagnetic, and when deposited using the optimal parameters, the number density of droplets on their surface was low. The results indicate that PLD combined with microlithography is a competitive technology that can be applied to realize thin-film FSM structures. For efficient ablation, the intensity distribution of the laser beam on the target should be smooth with steep edges. In this work, such a distribution was realized with the help of diffractive optics: periodic diffractive elements transformed the beam coming out from our excimer laser to the desired flat-top distribution on the focal plane of a positive lens. This new way of shaping laser beams reduces the power losses of our PLD system. Diffractive optics was also applied to directly produce almost propagation-invariant laser beams, so-called Bessel-Gauss beams in laser resonators. Furthermore, Bessel-like laser beams were created as a result of self-focusing in a certain liquid crystal. Such diffraction-free laser beams can be used in precise laser ablation and accurate patterning of small structures in thin films. en
dc.description.abstract Ferromagneettiset muistimetalliyhdisteet, ennen kaikkea Ni-Mn-Ga-metalliseokset, ovat aktiivisesti tutkittuja materiaaleja, koska ne pystyvät muuttamaan palautuvasti muotoaan jopa 10 % ulkoisessa magneettikentässä. Tämä mahdollistaa uudentyyppisten toimilaitteiden ja anturien toteuttamisen. Tutkimus on tähän mennessä keskittynyt Ni-Mn-Ga:n bulkkiominaisuuksiin, mutta mikromekaanisten komponenttien tai jopa mikroskoopisten koneiden valmistamiseksi näistä materiaaleista olisi valmistettava ohutkalvoja. Laserablaatio on tehokas tapa kasvattaa hyvälaatuisia ohutkalvoja monikomponenttisista materiaaleista kuten Ni-Mn-Ga:sta. Laserablaatiossa käytetään suuritehoisia laserpulsseja siirtämään ainetta stoikiometrisesti kohtiolta kasvatusalustan pinnalle ohueksi kalvoksi. Väitöskirjassa kasvatettiin muutaman sadan nanometrin paksuisia Ni-Mn-Ga-kalvoja eri alustoille kuten piille, NaCl:lle ja pienille Ni-Mn-Ga-paloille ja optimoitiin kasvatusparametrit kuten alustan lämpötila ja laserpulssien energiatiheys kohtiolla, jotta syntyvät kalvot olisivat ferromagneettisia, kiderakenteeltaan halutunlaisia ja pinnaltaan mahdollisimman tasaisia. Lisäksi kehitettiin menetelmiä kalvon ja alustan irrottamiseksi toisistaan, jotta havaittaisiin muistimetalli-ilmiön kannalta välttämätön faasimuutos matalissa lämpötiloissa. Erityisen lupaavia tuloksia saatiin NaCl-alustoja käyttämällä: magnetoituma oli lähes 70 % bulkkiarvosta, alustan poistaminen onnistui helposti etsaamalla sitä isotrooppisesti vedellä ja vapautetuissa kalvoissa havaittiin merkkejä faasimuutoksesta noin -100 °C:ssa. Myös piille kasvatetut kalvot olivat voimakkaan ferromagneettisia, ja optimiparametreja käytettäessä pisararoiskeiden määrä kalvon pinnalla oli vähäinen. Tulokset osoittavat, että laserablaatio yhdistettynä kalvojen litografiseen kuviointiin on kilpailukykyinen teknologia ohutkalvopohjaisten muistimetallirakenteiden valmistuksessa. Laserablaatiota varten lasersäteen intensiteettijakauman kohtiolla on oltava tasainen ja jyrkkäreunainen. Väitöskirjassa tämä toteutettiin diffraktiivisen optiikan avulla: periodiset diffraktiiviset elementit muuttivat käyttämämme eksimeerilaserin säteen halutunlaiseksi jakaumaksi positiivisen linssin polttotasoon. Tämä uudenlainen tapa muokata lasersädettä pienentää merkittävästi laserablaatiolaitteistomme tehohäviöitä. Diffraktiivista optiikkaa käytettiin myös lähes hajaantumattomien, ns. Bessel-Gauss-säteiden tuottamiseen suoraan laserresonaattorissa. Lisäksi Bessel-tyyppisiä säteitä saatiin synnytettyä myös tietynlaisessa nestekiteessä tapahtuvan itseisfokusoitumisen seurauksena. Hajaantumattomat lasersäteet tarjoavat mahdollisuuden tarkkaan laserablaatioon sekä pienten rakenteiden kuvioimiseen ohutkalvoihin. fi
dc.format.extent 116, [27]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries TKK dissertations en
dc.relation.ispartofseries 38 en
dc.relation.haspart A. Hakola, O. Heczko, A. Jaakkola, T. Kajava, and K. Ullakko, Pulsed laser deposition of Ni-Mn-Ga thin films on silicon, Applied Physics A 79, 1505-1508 (2004). [article1.pdf] © 2004 by authors and © 2004 Springer Science+Business Media. By permission.
dc.relation.haspart A. Hakola, O. Heczko, A. Jaakkola, T. Kajava, and K. Ullakko, Ni–Mn–Ga films on Si, GaAs and Ni–Mn–Ga single crystals by pulsed laser deposition, Applied Surface Science 238, 155-158 (2004). [article2.pdf] © 2004 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart A. Hakola, O. Heczko, A. Jaatinen, V. Kekkonen, and T. Kajava, Substrate-free structures of iron-doped Ni-Mn-Ga thin films prepared by pulsed laser deposition, Helsinki University of Technology Publications in Engineering Physics, Report TKK-F-A844 (2006), Journal of Physics: Conference Series, accepted for publication.
dc.relation.haspart A. Hakola, T. Kajava, H. Elfström, J. Simonen, P. Pääkkönen, and J. Turunen, Diffractive shaping of excimer-laser beams for pulsed laser deposition, Helsinki University of Technology Publications in Engineering Physics, Report TKK-F-A843 (2006), Optics Communications, accepted for publication.
dc.relation.haspart A. Hakola, S. C. Buchter, T. Kajava, H. Elfström, J. Simonen, P. Pääkkönen, and J. Turunen, Bessel–Gauss output beam from a diode-pumped Nd:YAG laser, Optics Communications 238, 335-340 (2004). [article5.pdf] © 2004 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart A. Hakola, A. Shevchenko, S. C. Buchter, M. Kaivola, and N. V. Tabiryan, Creation of a narrow Bessel-like laser beam using a nematic liquid crystal, Journal of the Optical Society of America B 23, 637-641 (2006). [article6.pdf] © 2006 Optical Society of America (OSA). By permission.
dc.subject.other Physics en
dc.subject.other Materials science en
dc.title Thin-film deposition using laser ablation : application to ferromagnetic shape-memory materials and methods for spatial shaping of laser beams en
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Engineering Physics and Mathematics en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto fi
dc.subject.keyword laser ablation en
dc.subject.keyword ferromagnetic shape-memory materials en
dc.subject.keyword flat-top distribution en
dc.subject.keyword Bessel-Gauss beam en
dc.subject.keyword laserablaatio fi
dc.subject.keyword ferromagneettiset muotomuistimateriaalit fi
dc.subject.keyword flat-top-jakauma fi
dc.subject.keyword Bessel-Gauss-säde fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-007189
dc.type.dcmitype text en
dc.programme.major Pulsed laser deposition of thin films and laser-beam shaping en
dc.programme.major Ohutkalvojen kasvatus laserablaatiolla sekä lasersäteen muokkaus fi
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.supervisor Salomaa, Rainer; Prof.
dc.opn Dyer, Peter E.; Prof.
dc.contributor.lab Laboratory of Advanced Energy Systems en
dc.contributor.lab Energiateknologiat fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account