共找到2條詞條名為PLD的結果 展開

PLD

利用激光的制膜技術

脈衝激光沉積(Pulsed Laser Deposition,PLD),也被稱為脈衝激光燒蝕(pulsed laser ablation,PLA),是一種利用激光對物體進行轟擊,然後將轟擊出來的物質沉澱在不同的襯底上,得到沉澱或者薄膜的一種手段。

簡介


隨著現代科學和技術的發展,薄膜科學已成為近年來迅速發展的學科領域之一,是凝聚態物理學和材料科學的一個重要研究領域。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涵,而且在微電子、光電子超導材料等領域具有十分廣泛的應用。
長期以來,人們發明了多種制膜技術和方法:真空蒸發沉積、離子束濺射、磁控濺射沉積、分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、溶膠- 凝膠法等。上述方法各有特點,並在一些領域得到應用。但由於其各有局限性,仍然不能滿足薄膜研究的發展及多種薄膜製備的需要。隨著激光技術和設備的發展,特別是高功率脈衝激光技術的發展,脈衝激光沉積(PLD)技術的特點逐漸被人們認識和接受。

歷史背景


早於1916年,愛因斯坦Albert Einstein)已提出受激發射作用的假設。可是,首部以紅寶石棒為產生激光媒介的激光器,卻要到1960年,才由梅曼(Theodore H. Maiman)在休斯實驗研究所建造出來。總共相隔了44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,汽化與激發固體表面的原子。三年後,史密斯(Smith)與特納(Turner)利用紅寶石激光器沉積薄膜,視為脈衝激光沉積技術發展的源頭。
不過,脈衝激光沉積的發展與探究,處處受制。事實上,當時的激光科技還未成熟,可以得到的激光種類有限;輸出的激光既不穩定,重複頻率亦太低,使任何實際的膜生成過程均不能付諸實行。因此,PLD在薄膜製作的發展比其它技術落後。以分子束外延(MBE)為例,製造出來的薄膜質量就優良得多。
往後十年,由於激光科技的急速發展,提升了PLD的競爭能力。與早前的紅寶石激光器相比,當時的激光有較高的重複頻率,使薄膜製作得以實現。隨後,可靠的電子Q開關激光(electronic Q-switches lasers)面世,能夠產生極短的激光脈衝。因此,PLD能夠用來做到將靶一致蒸發,並沉積出化學計量薄膜。由於紫外線輻射,薄膜受吸收的深度較淺。之後發展出來的高效諧波激光器(harmonic generator)與激基分子激光器(excimer)甚至可產生出強烈的紫外線輻射。自此以後,以非熱能激光熔化靶物質變得極為有效。
自1987年成功製作高溫的Tc超導膜開始,用作膜製造技術的脈衝激光沉積獲得普遍讚譽,並吸引了廣泛的注意。過去十年,脈衝激光沉積已用來製作具備外延特性的晶體薄膜。陶瓷氧化物(ceramic oxide)、氮化物膜(nitride films)、金屬多層膜(metallic multilayers),以及各種超晶格(superlattices)都可以用PLD來製作。近來亦有報告指出,利用PLD可合成納米管(nanotubes)、納米粉末(nanopowders),以及量子點(quantum dots)。關於複製能力、大面積遞增及多級數的相關生產議題,亦已經有人開始討論。因此,薄膜製造在工業上可以說已邁入新紀元。

機制


PLD的系統設備簡單,相反,它的原理卻是非常複雜的物理現象。它涉及高能量脈衝輻射衝擊固體靶時,激光與物質之間的所有物理相互作用,亦包括等離子羽狀物的形成,其後已熔化的物質通過等離子羽狀物到達已加熱的基片表面的轉移,及最後的膜生成過程。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. 熔化物質的動態
3. 熔化物質在基片的沉積
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衝寬度時,靶表面的一切元素會快速受熱,到達蒸發溫度。物質會從靶中分離出來,而蒸發出來的物質的成分與靶的化學計量相同。物質的瞬時熔化率大大取決於激光照射到靶上的流量。熔化機制涉及許多複雜的物理現象,例如碰撞、熱,與電子的激發、層離,以及流體力學
在第二階段,根據氣體動力學定律,發射出來的物質有移向基片的傾向,並出現向前散射峰化現象。空間厚度隨函數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。靶與基片的距離是另一個因素,支配熔化物質的角度範圍。亦發現,將一塊障板放近基片會縮小角度範圍。
第三階段是決定薄膜質量的關鍵。放射出的高能核素碰擊基片表面,可能對基片造成各種破壞。下圖表明了相互作用的機制。高能核素濺射表面的部分原子,而在入射流與受濺射原子之間,建立了一個碰撞區。膜在這個熱能區(碰撞區)形成后立即生成,這個區域正好成為凝結粒子的最佳場所。只要凝結率比受濺射粒子的釋放率高,熱平衡狀況便能夠快速達到,由於熔化粒子流減弱,膜便能在基片表面生成。

優點


1. 易獲得期望化學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,製備的薄膜均勻;
3. 工藝參數任意調節,對靶材的種類沒有限制;
4. 發展潛力巨大,具有極大的兼容性;
5. 便於清潔處理,可以製備多種薄膜材料。

存在問題


作為一種新生的沉積技術脈衝激光沉積也存在以下有待解決的問題:(1 )對相當多材料,沉積的薄膜中有熔融小顆粒或靶材碎片,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量,事實上,這是PLD 迫切需要解決的關鍵問題;(2 )限於目前商品激光器的輸出能量,尚未有實驗證明激光法用於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,隨澱積材料不同,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微米範圍;(4 )鑒於激光薄膜製備設備的成本和沉積規模,目前看來它只適用於微電子技術、感測器技術、光學技術等高技術領域及新材料薄膜開發研製。隨著大功率激光器技術的進展,其生產性的應用是完全可能的。

發展前景


由脈衝激光沉積技術的原理、特點可知,它是一種極具發展潛力的薄膜製備技術。隨著輔助設備和工藝的進一步優化,將在半導體薄膜、超晶格、超導、生物塗層等功能薄膜的製備方面發揮重要的作用;並能加快薄膜生長機理的研究和提高薄膜的應用水平,加速材料科學和凝聚態物理學的研究進程。同時也為新型薄膜的製備提供了一種行之有效的方法。