脈沖激光沉積技術(shù)

所謂“脈沖激光沉積技術(shù)”是將脈沖準(zhǔn)分子激光所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用于真空室內(nèi)的靶材表面，使靶在極短的時間內(nèi)加熱熔化、氣化直至使靶材表面產(chǎn)生高溫高壓等離子體，形成一個看起來像羽毛狀的發(fā)光團(tuán)—羽輝;等離子體羽輝垂直于靶材表面定向局域膨脹發(fā)射從而在襯底上沉積形成薄膜。

脈沖激光沉積(PLD)是一種新型的制膜技術(shù)，PLD制備薄膜大體可分為三個過程：激光與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體;等離子體在空間的輸運(yùn);等離子體在基片上沉積形成薄膜。與其它制膜技術(shù)相比，PLD具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

一、所沉積形成的薄膜可以和靶材成分保持一致。由于等離子體的瞬間爆炸性發(fā)射，不存在成分擇優(yōu)蒸發(fā)效應(yīng)以及等離子體發(fā)射的沿靶軸向的空間約束效應(yīng)，因此膜與靶材的成分保持一致。由于同樣的原理，PLD可以制備出含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜。

二、可在較低溫度下原位生長織構(gòu)膜或外延單晶膜。由于等離子體中原子的能量比通常蒸發(fā)法產(chǎn)生的離子能量要大得多，原子沿表面的遷移擴(kuò)散更劇烈，故在較低溫度下也能實(shí)現(xiàn)外延生長，而低的脈沖重復(fù)頻率也使原子在兩次脈沖發(fā)射之間有足夠的時間擴(kuò)散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生長。PLD的這一特點(diǎn)使之適用于制備高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)、鐵電、壓電、電光等多種功能薄膜。

三、能夠獲得連續(xù)的極細(xì)薄膜，制備出高質(zhì)量納米薄膜。由于高的離子動能具有顯著增強(qiáng)二維生長和抑制三維生長的作用，故PLD促進(jìn)薄膜的生長沿二維展開，并且可以避免分離核島的出現(xiàn)。

四、生長速率較快，效率高。比如，在典型的制備氧化物薄膜的條件下，1小時即可獲得1微米左右的膜厚。

五、生長過程中可原位引入多種氣體，包括活性和惰性氣體，甚至它們的化合物。氣氛氣體的壓強(qiáng)可變范圍較大，其上限可達(dá)1torr.甚至更高，這點(diǎn)是其它技術(shù)難以比擬的。氣氛氣體的引入，可在反應(yīng)氣氛中制膜，使環(huán)境氣體電離并參與薄膜沉積反應(yīng)，對于提高薄膜質(zhì)量具有重要意義。

六、由于換靶位置靈活，便于實(shí)現(xiàn)多層膜及超晶格薄膜的生長，這種原位沉積所形成的多層膜具有原子級清潔的界面。

七、成膜污染小。由于激光是一種十分干凈的能源，加熱靶時不會帶進(jìn)雜質(zhì)，這就避免了使用柑禍等加熱鍍膜原材料時對所沉積的薄膜造成污染的問題。

正因為脈沖激光沉積技術(shù)具有上述突出優(yōu)點(diǎn)，再加上該技術(shù)設(shè)備較簡單，操作易控制，可采用操作簡便的多靶臺，靈活性大，故適用范圍廣，并為多元化合物薄膜、多層膜及超晶格膜的制備提供了方便。目前，該技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于各種功能性薄膜的制備和研究，包括高溫超導(dǎo)、鐵電、壓電、半導(dǎo)體及超晶格等薄膜，甚至可用于制備生物活性薄膜，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。