材料物理制備基礎(chǔ)：3薄膜的制備3PLD

1、1材料 物理制備基礎(chǔ)第五講：薄膜的制備2一、薄膜的物理氣相沉積PVD 1、襯底的準(zhǔn)備 2、真空蒸鍍法 3、脈沖激光沉積法4、濺射沉積法33、脈沖激光沉積法1）原理圖激光靶襯底真空室plume42）脈沖激光沉積系統(tǒng)567891011121314151617182）PLD 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、能源干凈 易于控制、保持成分 缺點(diǎn)：膜厚不均、存在顆粒192021Excimer laser wave length : 193nm; 248nm; 308nm; pulse length : 10ns30nsI、How is it generated? II、movement? III、deposition?

2、LASER GENERATED PLASMA 22I、The process of pulsed excimer laser ablationEvaporation ?Explosion? Evaporation+ Explosion? 23固體從激光的吸收的熱能遵循波意耳定律：其中,I0(t)是t時(shí)刻激光照射到靶面的功率密度；T是靶的溫度；是激光的波長；R(T，) )是溫度為T，激光波長為時(shí)，靶的反射系數(shù)；(T, )是溫度為T，激光波長為時(shí)，靶的吸收系數(shù)；x是靶內(nèi)部到靶表面的距離；I(x, t)是靶在離靶面x處，t時(shí)刻吸收的激光功率密度。24靶吸收了激光的能量后，靶內(nèi)的溫度的變化可用以下熱傳

3、導(dǎo)方程來描述：對于納秒級激光脈沖而言，垂直與固體靶表面方向的溫度梯度要比平行于固體靶表面方向的梯度大幾個(gè)數(shù)量級，因此激光與靶的作用就可以近似為垂直于靶面方向的一維熱傳導(dǎo)問題。熱傳導(dǎo)方程簡化為一維方程：其中是隨溫度變化的靶的質(zhì)量密度；C是依賴于溫度的單位質(zhì)量的熱容量；k為熱導(dǎo)率；I是單位時(shí)間，單位體積的靶材吸收的激光能量。25在強(qiáng)激光的作用下，靶表面溫度迅速升高，當(dāng)表面溫度達(dá)到氣化點(diǎn)后，表面溫度不再升高。當(dāng)表面物質(zhì)吸收的熱量達(dá)到氣化熱時(shí)，氣化過程就開始了。由于表面物質(zhì)的氣化，氣體液體界面將向靶內(nèi)的方向移動。移動的條件是：單位時(shí)間內(nèi)氣化部分物質(zhì)吸收的激光能量和向液體傳輸?shù)臒崃康拇鷶?shù)和應(yīng)等于這部分物

4、質(zhì)的氣化熱。因而有下面的熱平衡方程：其中，L是氣體液體界面的位置；k是熱傳導(dǎo)系數(shù)；是單位體積的物質(zhì)的氣化潛熱；s是氣化物質(zhì)的質(zhì)量。26液體固體界面移動的條件是單位時(shí)間內(nèi)液化部分物質(zhì)從高溫部分物質(zhì)吸收的熱量、吸收的激光能量和向固體傳遞的熱量的代數(shù)和應(yīng)等于這部分物質(zhì)的液化熱。因而有以下熱平衡方程：是單位體積的物質(zhì)的液化潛熱；w是液化物質(zhì)的質(zhì)量； k是熱傳導(dǎo)系數(shù)；H是液體固體界面的位置。2728293031II、Dynamics process of laser generated plasma 321、Back Ground DIAGNOSTIC TECHNIQUESEmissionAbsorpt

5、ionLaser-induced fluorescenceMass spectrometry33Maxwell-Boltzmann model:vc=034 Shifted Maxwell-Boltzmann model:Vc=constant 35 Gaussian distribution model362. DIAGNOSTIC EXPERIMENT 37圖11-4 用激光透射法記錄的等離子體的信號38Intensity (a.u.)time of flight spectrum 3940413. SHIFTED GAUSSIAN DISTRIBUTION MODEL42434. SIM

6、ULATION RESULTS 44CENTER OF MASS VELOCITY45 TEMPERATURE OF THE PLASMA4647485. AMORPHOUS DIAMOND FILMS graphite targetglass substrate distance=2cm ArF laser room temperature in vacuum chamber 49 1 cmtransparent opaqueoptical photograph50 1 cmdiamond like carbongraphite like carbonI-V curve 51DIAGNOST

7、IC OF THE CARBON PLASMA52time of flight spectrum T=5000KVc=12000m/s53 1 0.9 0.7 0.5100907050907050relative density (%)T=5000KVc=12000m/shigh energy low energy545556576. VANADIUM ALUMINIUM DOPED ZnO FILMS ZnO : II-VI materialsemiconductor and transparent When ZnO is doped with Fe, Co, V-magnetism 1)

8、BACKGROUND 58VANADIUM DOPED ZnO FILMS 59VANADIUM DOPED ZnO FILMS 60sapphire substrate V doped ZnO targetArF laserO2 -insulated -no magnetismno O2-conductor -magnetismVANADIUM DOPED ZnO FILMS 612. VANADIUM ALUMINIUM DOPED ZnO FILMSV and Al doped ZnO V-magnetism Al-carrier62Substrate: Al2O3ZnOZn1-x-yV

9、xAlyO (x=10%; y=0.1%) V and Al doped ZnO filmssubstrate: Al2O3 (0001)ZnO buffer gas: O3; pressure: 5 mTorr;ArF laser: 193nm; 60mJ/pulse, 3600 pulse;substrate temperature: 600C;Zn1-x-yVxAlyO (x=10%; y=0.1%)ArF laser: 193nm; 60mJ/pulse, 3600*3 pulse; substrate temperature: 400C;63Zn1-x-yVxAlyO (x=10%;

10、 y=0.1%)O2 5mTorr646566Zn1-x-yVxAlyO (x=10%; y=0.1%)no O2676869zinc oxide nanowire 70PLD制備薄膜的缺點(diǎn) 與缺點(diǎn)的克服PLD 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、能源干凈 易于控制、保持成分 缺點(diǎn)：膜厚不均、存在顆粒711、減少、減小顆粒產(chǎn)生顆粒的原因：1、激光在熔融靶材時(shí)，產(chǎn)生顆粒；2、原子分子在向襯底飛行的過程中結(jié)合成顆粒；72方法：1、采用短波長、短脈沖的激光；2、選擇合適的激光功率密度；3、合理放置襯底，避開顆粒飛行路徑；4、用速度過濾的方法，濾掉顆粒；對于：1、激光在熔融靶材時(shí)，產(chǎn)生顆粒；73對于：2、原子分子在向襯底飛行的過程中結(jié)合成顆粒；方法：減少粒子碰撞結(jié)合的幾率 選擇適當(dāng)?shù)囊r底靶間距離； 適當(dāng)?shù)谋尘皻鈮骸?42、改善