脈沖激光沉積

脈沖激光沉積利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊然后將轟擊出來(lái)的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上得到沉淀或者薄膜的手段01簡(jiǎn)介機(jī)制存在問(wèn)題歷史背景優(yōu)點(diǎn)發(fā)展前景目錄0305020406基本信息脈沖激光沉積（PulsedLaserDeposition，PLD），也被稱(chēng)為脈沖激光燒蝕（pulsedlaserablation，PLA），是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來(lái)的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，薄膜科學(xué)已成為近年來(lái)迅速發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域之一，是凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。功能薄膜是薄膜研究的主要方面，它不僅具有豐富的物理內(nèi)涵，而且在微電子、光電子、超導(dǎo)材料等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，人們發(fā)明了多種制膜技術(shù)和方法：真空蒸發(fā)沉積、離子束濺射、磁控濺射沉積、分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法等。上述方法各有特點(diǎn)，并在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。但由于其各有局限性，仍然不能滿足薄膜研究的發(fā)展及多種薄膜制備的需要。隨著激光技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，特別是高功率脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)的特點(diǎn)逐漸被人們認(rèn)識(shí)和接受

。歷史背景歷史背景早于1916年，愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）已提出受激發(fā)射作用的假設(shè)?？墒牵状我约t寶石棒為產(chǎn)生激光媒介的激光器，卻要到1960年，才由梅曼（TheodoreH.Maiman）在休斯實(shí)驗(yàn)研究所建造出來(lái)?？偣蚕喔袅?4年。使用激光來(lái)熔化物料的歷史，要追溯到1962年，布里奇（Breech）與克羅斯（Cross）利用紅寶石激光器，汽化與激發(fā)固體表面的原子。三年后，史密斯（Smith）與特納（Turner）利用紅寶石激光器沉積薄膜，視為脈沖激光沉積技術(shù)發(fā)展的源頭。不過(guò)，脈沖激光沉積的發(fā)展與探究，處處受制。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)的激光科技還未成熟，可以得到的激光種類(lèi)有限；輸出的激光既不穩(wěn)定，重復(fù)頻率亦太低，使任何實(shí)際的膜生成過(guò)程均不能付諸實(shí)行。因此，PLD在薄膜制作的發(fā)展比其它技術(shù)落后。以分子束外延（MBE）為例，制造出來(lái)的薄膜質(zhì)量就優(yōu)良得多。往后十年，由于激光科技的急速發(fā)展，提升了PLD的競(jìng)爭(zhēng)能力。與早前的紅寶石激光器相比，當(dāng)時(shí)的激光有較高的重復(fù)頻率，使薄膜制作得以實(shí)現(xiàn)。隨后，可靠的電子Q開(kāi)關(guān)激光（electronicQ-switcheslasers）面世，能夠產(chǎn)生極短的激光脈沖。因此，PLD能夠用來(lái)做到將靶一致蒸發(fā)，并沉積出化學(xué)計(jì)量薄膜。由于紫外線輻射，薄膜受吸收的深度較淺。之后發(fā)展出來(lái)的高效諧波激光器（harmonicgenerator）與激基分子激光器（excimer）甚至可產(chǎn)生出強(qiáng)烈的紫外線輻射。自此以后，以非熱能激光熔化靶物質(zhì)變得極為有效。機(jī)制機(jī)制PLD的系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，相反，它的原理卻是非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。它涉及高能量脈沖輻射沖擊固體靶時(shí)，激光與物質(zhì)之間的所有物理相互作用，亦包括等離子羽狀物的形成，其后已熔化的物質(zhì)通過(guò)等離子羽狀物到達(dá)已加熱的基片表面的轉(zhuǎn)移，及最后的膜生成過(guò)程。所以，PLD一般可以分為以下四個(gè)階段：1.激光輻射與靶的相互作用2.熔化物質(zhì)的動(dòng)態(tài)3.熔化物質(zhì)在基片的沉積4.薄膜在基片表面的成核（nucleation）與生成在第一階段，激光束聚焦在靶的表面。達(dá)到足夠的高能量通量與短脈沖寬度時(shí)，靶表面的一切元素會(huì)快速受熱，到達(dá)蒸發(fā)溫度。物質(zhì)會(huì)從靶中分離出來(lái)，而蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)的成分與靶的化學(xué)計(jì)量相同。物質(zhì)的瞬時(shí)熔化率大大取決于激光照射到靶上的流量。熔化機(jī)制涉及許多復(fù)雜的物理現(xiàn)象，例如碰撞、熱，與電子的激發(fā)、層離，以及流體力學(xué)。在第二階段，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)定律，發(fā)射出來(lái)的物質(zhì)有移向基片的傾向，并出現(xiàn)向前散射峰化現(xiàn)象。空間厚度隨函數(shù)cosnθ而變化，而n>>1。激光光斑的面積與等離子的溫度，對(duì)沉積膜是否均勻有重要的影響。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.易獲得期望化學(xué)計(jì)量比的多組分薄膜，即具有良好的保成分性；2.沉積速率高，試驗(yàn)周期短，襯底溫度要求低，制備的薄膜均勻；3.工藝參數(shù)任意調(diào)節(jié)，對(duì)靶材的種類(lèi)沒(méi)有限制；4.發(fā)展?jié)摿薮?，具有極大的兼容性；5.便于清潔處理，可以制備多種薄膜材料。存在問(wèn)題存在問(wèn)題作為一種新生的沉積技術(shù)脈沖激光沉積也存在以下有待解決的問(wèn)題：（1）對(duì)相當(dāng)多材料，沉積的薄膜中有熔融小顆?；虬胁乃槠@是在激光引起的爆炸過(guò)程中噴濺出來(lái)的，這些顆粒的存在大大降低了薄膜的質(zhì)量，事實(shí)上，這是PLD迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題；（2）限于目前商品激光器的輸出能量，尚未有實(shí)驗(yàn)證明激光法用于大面積沉積的可行性，但這在原理上是可能的；（3）平均沉積速率較慢，隨淀積材料不同，對(duì)1000平方毫米左右沉積面積，每小時(shí)的沉積厚度約在幾百納米到1微米范圍；（4）鑒于激光薄膜制備設(shè)備的成本和沉積規(guī)模，目前看來(lái)它只適用于微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域及新材料薄膜開(kāi)發(fā)研制。隨著大功率激光器技術(shù)的進(jìn)展，其生產(chǎn)性的應(yīng)用是完全可能的。發(fā)展前景發(fā)展前景由脈沖激光沉積技術(shù)的原理、特點(diǎn)可知，它是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぶ苽浼夹g(shù)。隨著輔助設(shè)備和工藝的進(jìn)一步