赝火花脉冲电子束烧蚀制备纳米薄膜.pdf

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1、24航空材料学报第22卷赝火花脉冲电子束烧蚀制备纳米薄膜韩丽君1，江兴流2，文雄伟2（1.北京航空航天大学材料科学与工程系，北京100083；2.北京航空航天大学理学院，北京100083）摘要：类似于脉冲激光束烧蚀法制备薄膜，利用纳秒赝火花脉冲电子束与靶材料相互作用，通过靶材料的瞬间熔化、蒸发或以团簇抛出的方式，在低温衬底上重新成核、凝结，得到了与靶材的化学计量比相同的薄膜。讨论了材料烧蚀和沉积过程中出现的诸多现象，并给出高分辨电子显微镜、X射线衍射、光电子能谱分析等方法的测试结果。研究表明，由于赝火花脉冲电子束高功率密度（109W/cm2）的瞬态烧蚀作用，为研

2、究和制备多元素氧化物薄膜、难熔金属多层膜或氧化物/金属多层膜提供了一种新手段。关键词：纳秒脉冲电子束；纳米薄膜；烧蚀法中图分类号：TB43文献标识码：A文章编号：1005-505（32002）02-0024-05高功率密度脉冲激光束、电子束、离子束（简电系统，随着间隙击穿过程从阴极向阳极传输，最称三束）与物质相互作用，将携带时间和方向上高后，全部外加电压作用在阳极附近的间隙中而形度压缩的能量作用于靶物质表面，产生局域化的成类似于“真空二极管”的火花放电过程，而这一瞬态高温、高压、高密度和烧蚀过程。基于这些作过程仅持续数十纳秒。此后，由于MPC整体绝用过程，强脉冲

3、“三束”在纳米科技中起着举足轻缘强度快速恢复而使加于MPC两端的电压恢复重的作用。作为应用的例子之一是脉冲激光烧蚀到起始值，放电过程重新开始。放电重复频率可法可以制备纳米硅薄膜、铁电薄膜等［1］。当一束以通过调节MPC中的气压、外加并联电容、电极足够强的激光照射到靶上时，被照射区域的物质片孔径大小等参数来调整，这种放电过程被称为受热，瞬间熔化、蒸发直至变为等离子体，被烧蚀“赝火花放电（Pseudospark）”。在外加直流电压为物沿靶的法线方向传输，形成一个象羽毛状发光10~40kV的情况下，脉冲电子束功率密度可达92。团———羽辉（Plume），最后，沉积在衬

4、底上，凝聚、10W/cm成核直至形成一层薄膜。利用赝火花脉冲电子束脉冲电子束与靶相互作用决定了被烧蚀物的（脉冲宽度为数十纳秒，功率密度可达109W/组成、产率、沉积速度和空间分布，而这些因素直cm2）制备纳米薄膜，其与靶材料的相互作用过程接影响和决定着薄膜的成分、结构和性能。及薄膜沉积过程与高功率脉冲激光束相类似。该脉冲电子束与靶的相互作用是一个极其复杂项研究始于二十世纪80年代后期［2］。1989年，的过程，是高能密度物理研究的一个重要课题，它不仅涉及电子的射程理论，固态物质对电子能量H.P.Schoelch等人用脉冲电子束烧蚀法制备［3，4］。的吸收，蒸发物

5、和烧蚀物的非稳态膨胀等，而且该YBCO等高温超导薄膜取得了成功过程是一个非平衡和非线性过程，往往有多个因素耦合在一起，因而使研究过程非常困难。我们1脉冲电子束与靶相互作用注意到赝火花电子束入射到靶内，其射程分布分多极板赝火花放电室在外加直流电压下能产散性很大，束中电子的高能部分在靶内的射程要生周期性的重复脉冲电子束和离子束。其工作原比对应于外加电压的束中电子的射程要大得多。理可用电场递增效应模型描述，即多极板赝火花这部分高能电子对烧蚀过程起的作用值得深入研放电室（MPC）可以看作多个气体间隙串联的放究。许多靶材料在脉冲电子束作用下的结果使照收稿日期：2001-0

6、8-30；修订日期：2002-03-07射区域形成锥状体。图1是靶材铌酸锂LinbO3基金项目：国家自然科学基金资助（19275020）；航空科（Ln）晶体经多次脉冲电子束辐照后的SIM像。学基金资助（00G51004）从图中可以看出，经辐照的靶表面由许多锥状体作者简介：韩丽君（1945-），女，副教授。组成，有些锥状体的锥头部分呈现结晶颗粒，而外第2期赝火花脉冲电子束烧蚀制备纳米薄膜25图l脉冲电子束辐照铌酸锂后的扫描电镜（SEM）像Fig.lSEMimageofLiNbO3targetirradiatedbypseudosparkeiectronbeams围

7、比较光滑。说明由于辐射的对流散热，锥体表图2脉冲电子束制备纳米钯的高分辨电镜面降温速率较大，晶体不能充分成核、长大，因而（HREM）像Fig.2HREMimageofnanometerPdparticie出现表面光滑的无序结构，而锥体中间部分的熔createdbypuisedeiectronbeams体由于散热条件较差，降温速率低，晶体能充分成核、生长，出现完整的结晶结构。这一现象可用于用时，以爆炸的方式抛出。快速熔凝过程的结晶学研究。高功率脉冲电子束烧蚀法制备薄膜的最大优用赝火花脉冲电子束轰击石墨靶，由于马氏点在于能制备与靶成分相一致的多种元素化合物体相变和熔

8、体急冷过程，而从石墨转变