En el presente proyecto se estudiará la interacción de dos plasmas inducidos por láser con el objetivo de establecer las bases físicas para una futura aplicación: el depósito de películas delgadas semiconductoras dopadas con metales de transición. Estos materiales han llamado la atención por la posibilidad de generar semiconductores magnéticos diluidos (diluted magnetic semiconductors, DMS), los cuales poseen potenciales aplicaciones en lo que se conoce como “espintrónica”. Esta última constituye una nueva tecnología en donde además de explotar la carga del electrón también se usa su espín como portador. Para crecer estas películas se han utilizado diversas técnicas de depósito desde el año 2000, cuando se predijo teóricamente la posibilidad de generarlos. Sin embargo, los resultados de la caracterización de estas películas se han mostrado controversiales, e incluso contradictorios, en particular respecto a la existencia de ferromagnetismo y a las temperaturas de Curie del material. Actualmente es aceptado que las contradicciones reportadas en la literatura se deben en gran parte al modo de preparación de las muestras, ya que las condiciones de depósito afectan directamente su estructura. La discusión principal gira en torno a la distribución de los elementos dopantes en el semiconductor. Si éste se encuentra distribuido uniformemente, en cúmulos o bien segregado en una segunda fase, podrían provocase diversas respuestas ferromagnéticas. Por lo anterior, resulta crítico el método de crecimiento a utilizarse. En ese sentido, en este proyecto se propone caracterizar la técnica de depósito con dos plasmas inducidos por láser para su futura aplicación al crecimiento de películas semiconductoras dopadas. La técnica a caracterizar es conocida como depósito mediante plasmas generados con láser, ablación láser o PLD por sus siglas en inglés: pulsed laser deposition. En su forma convencional esta técnica consiste en enfocar un haz láser pulsado de alta potencia sobre la superficie de un blanco para generar un plasma como resultado de la interacción fotónica con el material. Si el proceso se lleva a cabo en un medio a baja presión, el plasma se expande algunos centímetros, de modo que sobre un substrato colocado cerca del mismo se depositan las especies eyectadas desde el blanco formando una película delgada. En este proyecto se usará una alternativa a la técnica convencional en donde se utilizan dos blancos y dos haces láser. Esta configuración ha mostrado ser apropiada para el crecimiento de películas delgadas multicomponentes. Sin embargo hay escasos reportes donde se aplica al depósito de películas semiconductoras dopadas candidatas a DMS, probablemente debido a la complejidad experimental que exige (un haz láser dividido, además de una geometría especial de dos blancos y un substrato dentro del reactor de vacío) y a la diversidad de materiales a escoger. En el caso de interés de este proyecto se producirán dos plasmas: uno correspondiente al semiconductor y otro al metal de transición. La idea es que si el substrato se coloca en una posición tal que ambos plasmas contribuyan al depósito, podría controlarse in situ la concentración del dopante, y dado que se lleva a cabo un proceso fuera de equilibrio sería posible alcanzar niveles de dopaje que exceden el límite de equilibrio termodinámico. Para garantizar el control en la concentración y distribución del elemento dopante en las muestras es necesario conocer los procesos físicos que toman lugar durante la interacción entre los dos plasmas. Dado que ambos plasmas constituyen flujos que se expanden en una dirección determinada, cuando estos interaccionan pueden ocurrir varios procesos físicos: desviación en la trayectoria de las especies, procesos de re-excitación y/o recombinación, cambio en la velocidad de las especies por las colisiones, etc. Todos estos parámetros dependen de las condiciones de los plasmas al momento de interaccionar que a su vez están determinadas por: la energía de los láseres, así como la sincronía y la distancia entre plasmas. En este experimento tanto las variables como los efectos físicos producidos por la interacción de plasmas son numerosos y se requiere de la implementación de diversas técnicas de diagnóstico. El presente proyecto tiene como objetivo determinar: la velocidad de las especies, la densidad y temperatura electrónica de los plasmas en interacción mediante sondas electrostáticas o sondas de Langmuir. Esta técnica de diagnóstico posee dos importantes ventajas: simpleza y que se puede utilizar a las distancias típicas de colocación del substrato (donde las técnicas ópticas no son aplicables). La sonda consiste en un conductor que se introduce en el volumen del plasma y cuya corriente se mide en función de la tensión aplicada. Así, en el proyecto a desarrollar se realizará un mapeo espacial para conocer la velocidad de las especies, densidad y temperatura del plasma bajo diferentes condiciones de interacción para la futura elección de la posición del substrato. Para alcanzar este fin se realizarán mediciones simultáneamente con tres sondas de Langmuir ubicadas en posiciones distintas ya que se sabe que los plasmas pueden desviarse de sus trayectorias originales durante su interacción. La determinación de la densidad de cada plasma en la posición del substrato es fundamental ya que este parámetro se relaciona directamente con la concentración del elemento dopante. A partir de la necesidad de monitorear los plasmas en posiciones distintas simultáneamente en este proyecto se solicita la adquisición de un osciloscopio de cuatro canales. Por otro lado, resulta indispensable que el osciloscopio sea de 1 GHz debido a que los plasmas serán generados por láseres con duración de pulso de algunos ns y es imprescindible poseer con una precisión adecuada en el retraso temporal entre plasmas. Finalmente, cabe señalar que el presente proyecto constituye la punta de lanza de otro objetivo a largo plazo: el depósito de películas delgadas semiconductoras con metales de transición y su aplicación a la electrónica. Al respecto se cuenta con el financiamiento de un proyecto recientemente aprobado por el CONACyT con el cual se adquirirá otro tipo de equipos para análisis espectroscópicos de los plasmas (ópticos y de masas) y el depósito de las películas. Asimismo con el apoyo otorgado por el CONACyT se cubrirán otros rubros indispensables de infraestructura, apoyo a recursos humanos y asistencia a eventos, con lo cual se garantiza alcanzar los objetivos planteados en el presente proyecto.

La contribución general de este proyecto consiste en el establecimiento de la técnica de ablación con dos láseres retrasados temporalmente para su futura aplicación al depósito de películas delgadas dopadas. A partir de los análisis a realizarse en este proyecto se derivan dos vías de contribuciones: • Aportaciones para el entendimiento de la interacción de dos plasmas derivadas de los resultados de las sondas electrostáticas. • Cimentación de una nueva técnica de depósito con prometedoras posibilidades de control sobre la concentración y distribución del elemento dopante.