脈沖激光沉積

脈沖激光沉積利用激光對物體進行轟擊然后將轟擊出來的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上得到沉淀或者薄膜的手段01簡介機制存在問題歷史背景優(yōu)點發(fā)展前景目錄0305020406基本信息脈沖激光沉積（PulsedLaserDeposition，PLD），也被稱為脈沖激光燒蝕（pulsedlaserablation，PLA），是一種利用激光對物體進行轟擊，然后將轟擊出來的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。簡介簡介隨著現(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。長期以來，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、金屬有機化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法等。上述方法各有特點，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)的特點逐漸被人們認(rèn)識和接受

。歷史背景歷史背景早于1916年，愛因斯坦（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）在休斯實驗研究所建造出來?？偣蚕喔袅?4年。使用激光來熔化物料的歷史，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，脈沖激光沉積的發(fā)展與探究，處處受制。事實上，當(dāng)時的激光科技還未成熟，可以得到的激光種類有限；輸出的激光既不穩(wěn)定，重復(fù)頻率亦太低，使任何實際的膜生成過程均不能付諸實行。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的競爭能力。與早前的紅寶石激光器相比，當(dāng)時的激光有較高的重復(fù)頻率，使薄膜制作得以實現(xiàn)。隨后，可靠的電子Q開關(guān)激光（electronicQ-switcheslasers）面世，能夠產(chǎn)生極短的激光脈沖。因此，PLD能夠用來做到將靶一致蒸發(fā)，并沉積出化學(xué)計量薄膜。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。機制機制PLD的系統(tǒng)設(shè)備簡單，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，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)通過等離子羽狀物到達已加熱的基片表面的轉(zhuǎn)移，及最后的膜生成過程。所以，PLD一般可以分為以下四個階段：1.激光輻射與靶的相互作用2.熔化物質(zhì)的動態(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。達到足夠的高能量通量與短脈沖寬度時，靶表面的一切元素會快速受熱，到達蒸發(fā)溫度。物質(zhì)會從靶中分離出來，而蒸發(fā)出來的物質(zhì)的成分與靶的化學(xué)計量相同。物質(zhì)的瞬時熔化率大大取決于激光照射到靶上的流量。熔化機制涉及許多復(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)氣體動力學(xué)定律，發(fā)射出來的物質(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，對沉積膜是否均勻有重要的影響。優(yōu)點優(yōu)點1.易獲得期望化學(xué)計量比的多組分薄膜，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)，對靶材的種類沒有限制；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。存在問題存在問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題：（1）對相當(dāng)多材料，沉積的薄膜中有熔融小顆?；虬胁乃槠?，這是在激光引起的爆炸過程中噴濺出來的，這些顆粒的存在大大降低了薄膜的質(zhì)量，事實上，這是PLD迫切需要解決的關(guān)鍵問題；（2）限于目前商品激光器的輸出能量，尚未有實驗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1000平方毫米左右沉積面積，每小時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)域及新材料薄膜開發(fā)研制。隨著大功率激光器技術(shù)的進展，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)備和工藝的進一步