脉冲激光制备纳米薄膜.doc

存档日期: 存档编号:
北京化工大学
研究生课程论文
课程名称: 应用激光化学
课程代号: Ach514
任课教师: 顾福博
完成日期: 2013 年 12 月 10 日
专业: 化学
学号: 2013200938
姓名: 范国凌
成绩:
脉冲激光沉积技术在纳米薄膜制备中的应用
摘要
对脉冲激光沉积技术(PLD)作了简要介绍,讨论了其物理过程。列举了几种应用PLD技术制备的纳米薄膜。
关键字:激光,纳米,亚稳态,薄膜,脉冲激光沉积技术
1 引言
薄膜科学是近年来发展迅猛的领域之一。纳米材料是本世纪80年代中期发展起来的具有全新结构的材料。近年来,对纳米材料的制备、结构、性能及应用前景,进行了广泛而深入的研究。纳米材料已经被誉为“21世纪最具有前途的材料”。
薄膜的研究依赖于薄膜的制备。高质量的薄膜有利于薄膜物理的研究和薄膜器件应用的发展。长期以来,人们发展了多种制膜技术和方法,如真空蒸发沉积磁控溅射沉积、离子束溅射沉积。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等。上述方法各具特色,在一定程度上得到了应用。尽管如此,由于各自的局限性,仍然不能满足薄膜研究及多种薄膜制备的需要。大功率纳米级脉冲激光用于薄膜制备时近年来发展起来的一项新技术,随着高功率脉冲激光技术的发展,脉冲激光沉积技术的独特优点和潜力逐渐被人们认识和重视。当前,脉冲激光薄膜制备技术在高熔点材料及多组分材料(如化合物半导体、电子陶瓷超导材料)的精密薄膜,尤其是外延单晶纳米薄膜及多层结构的制备上显示出很大的前景。
脉冲激光薄膜沉积(PLD)的基本原理是利用高功率激光照射待沉积的材料,使之汽化、电离、加速并沉积在基底上。图一时设备的示意图。虽然连续激光也可以使材料汽化,但是实验表明,激光沉积技术的优点都与脉冲激光相关联,与常规的热蒸发有显著区别。脉冲激光作为一种新型的加热源,其特点之一是能量在空间和时间上的高度集中,目前所用的脉冲激光器以准分子激光器(excimer laser)效果最好。根据工作介质气体不同,其光源波长可分为193nm(ArF),248nm(KrF),308nm(XeCl)和351nm(XeF),,,。准分子激光器的一般输出脉宽为25ns左右的巨脉冲,每脉冲能量可达几个焦耳,脉冲峰值功率可高达100MW,能量在时间上高度集中。当这束激光被透镜汇聚到一个点上,能量又在空间上被高度压缩。照射在靶上的功率密度可高达1000MW/cm2以上。这样就产生了常规方法难以达到的极端条件。这种极端条件下的光-凝聚态物质相互作用,导致了材料的汽化中的新现象。应该说明,虽然功率密度非常之高,但由于每脉冲能量并不大,因此目前PLD属于小规模的薄膜沉积技术。
图一
2 PLD应用中的物理过程
材料的一致汽化
通常,多组分材料在液态下蒸发时,各个组元的蒸汽压不同,因而蒸发速率也不同(例如GaAs中的As的蒸汽压比Ga高7个数量级)。这使得蒸汽的化学组分不同于靶材料的化学组分,并引起白材料成分的逐渐改变。相应地,所沉积的薄膜成分也不同于靶材料的化学组分,这就是所谓的择优蒸发或者是分馏,它一直是沉积薄膜制备的主要困难之一。靶材料内的元素分馏要通过扩散过程来到达沉积基底上