脉冲激光沉积.ppt

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1、脉冲激光沉积PulsedLaserDeposition(PLD)Chapter5薄膜制备方法脉冲激光沉积化学气相沉积分子束外延溅射溶胶凝胶法超声喷雾热解2脉冲激光沉积脉冲激光沉积（pulsed laser deposition，简称PLD）法制备薄膜，将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子（ T>104K），等离子体定向局域膨胀在衬底上沉积成膜。5.1脉冲激光沉积概述5.2PLD的基本原理5.3颗粒物的抑制5.4PLD技术的主要应用35.1脉冲激光沉积概述PLD发展过程PLD的优点待解决的问题4PLD脉冲沉积系统一般由脉冲激光器，光路

2、系统（光阑扫描器，会聚透镜，激光窗等），沉积系统（真空室，抽真空泵，充气系统，靶材，基片加热器），辅助设备（测控装置，监控装置，电机冷却系统）等组成。如图5-1所示。图5-1脉冲激光沉积系统示意图（a）与光路系统（b）、沉积系统实物图（c）acb5典型的PLD装置如图5-2所示。一束激光经透镜聚焦后投射到靶上，使被照射区域的物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法线方向传输，形成一个看起来象羽毛状的发光团──羽辉，最后烧蚀物沉积到前方的衬底上形成一层薄膜。在沉积的过程中，通常在真空腔中充入一定压强的某种气体，如淀积氧化物时往往充入氧气，以改善薄膜的性能。图5-2典型的PLD示意图6发展过程1960年，世

3、界上第一台红宝石激光器问世不久，就产生了激光镀膜的概念，也开始了激光与物质相互作用的研究。1965年，第一次用红宝石激光沉积光学薄膜，取得一定的成功，但是效果并不理想。总有较多的微滴，影响薄膜质量。20世纪70年代中期。电子Q开关的应用，短脉冲激光应运而生，使PLD技术取得较大进展。1987年，美国贝尔实验室的Dijkkamp等首次成功制备出高温超导薄膜YBa2Cu3O7-X（钇钡铜氧）薄膜。从而使PLD技术迅速发展。7PLD的优点(1)采用高光子能量和高能量密度的紫外脉冲激光作为产生等离子体的能源，因而无污染又易于控制(2)烧蚀物粒子能量高，可精确控制化学计量，实现靶膜成分接近一致，简化了控

4、制膜组分的工作，特别适合制备具有复杂成分和高熔点的薄膜(3)生长过程中可原位引入多种气体，可以在反应气氛中制膜，这为控制薄膜组分提供了另一条途径(4)多靶材组件变换灵便，容易制备多层膜及异质结(5)工艺简单，灵活性大，可制备的薄膜种类多(6)可用激光对薄膜进行多种处理等8待解决的问题(1)不易于制备大面积的膜。(2)在薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物污染，所制备薄膜的均匀性较差。(3)某些材料靶膜成分并不一致。对于多组元化合物薄膜，如果某些种阳离子具有较高的蒸气压，则在高温下无法保证薄膜的等化学计量比生长。95.2PLD的基本原理PLD是一种真空物理沉积方法，当一束强的脉冲激光照射到靶材上

5、时，靶表面材料就会被激光所加热、熔化、气化直至变为等离子体，然后等离子体（通常是在气氛气体中）从靶向衬底传输，最后输运到衬底上的烧蚀物在衬底上凝聚、成核至形成薄膜。整个PLD过程可分为三个阶段：（1）激光与靶的作用阶段（2）等离子体的膨胀（3）到达衬底上的烧蚀物在衬底上的成膜阶段。图5-3脉冲激光沉积装置图105.2.1激光与靶的相互作用当激光辐射在不透明的凝聚态物质上被吸收时，被照射表面的一个薄层被加热，结果使表面温度升高，同时对物质的内层进行热传导，使被加热层的厚度增加。由于热传导引起的热输运随时间而减慢，因此热传导不能使足够的热量进入物质内部，这将导图5-4激光烧蚀靶材表面的结构示意图（

6、1）致表面和表面附近的物质温度持续上升，直到蒸发开始，在PLD常用的功率密度下，蒸气的温度可以很高，足够使相当多的原子被激发和离化，于是蒸气开始吸收激光辐射，导致在靶表面出现等离子体。最终结果是在靶表面附近形成复杂的层状结构，如图5-4所示11等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且在整体上表现为近似于电中性的电离气体。等离子体=自由电子+带正电的离子+未电离原子或分子，为物质的第四态。图5-5激光烧蚀靶材表面的结构示意图（2）125.2.2等离子体膨胀等离子体膨胀过程是指高能激光脉冲溅射产生的烧蚀物，离化为高温高密的等离子体后，大致经历等温和绝热膨胀两个过程，从靶材

7、表面输运到衬底的过程。图5-6等离子体羽辉外形随时间的演化图5-7等离子体膨胀过程中温度随时间演化规律脉冲宽度激光作用时间激光作用结束后13等离子体在空间的输运靶材表面的高温(可达20000K)和高密度((1016--1021)/cm3)的等离子体在靶面法线方向的高温和压力梯度等温膨胀发射(激光作用时)和绝热膨胀发射(激光终止后)沿靶面法线方向轴向约束性等离子体区等离子体羽辉145.2.3烧蚀粒子