PLD技术在功能薄膜材料研究中的应用

薄膜的结晶质量、光学和电学性质可以通过衬底温度、退火
温度、背景气氛压力、薄膜厚度、沉积时间、衬底、激光能
量密度和重复频率等因素来进行控制。 四、结束语
脉冲激光沉积方法能够实现材料“化学计量比”的转移，
并且具有沉积温度低、操作简单，适用范围广的优点，在高
温超导薄膜、磁性薄膜、铁电薄膜，有机薄膜等方面已经有 广泛的应用，在沉积金属单质薄膜和功能梯度薄膜方面也有 研究者在开展探索性研究工作。伴随着脉冲激光沉积及新兴
薄膜，发现无论是用ＳｉＯ。还是ＭｇＯ作基底，随着缓冲厚度 的增加，薄膜的超导特性也增加。另外，中科院的周岳亮指 出，测量和控制基片的温度对获得高质量的高温超导薄膜是 十分重要的。然而要准确测量基片的温度常常并不十分方便， 而且测得温度和实际温度之间的关系的稳定性也十分重要。 另外，由于脉冲激光沉积技术大面积沉积薄膜的均匀性差的 缺点，不容易制备大面积的均匀薄膜。为了制备直径大于７ｃｍ
中国水运(理论版) CHINA WATER TRANSPORT 2007，5(12) 2次
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脉冲激光沉积技术在功能薄膜材料中的应用和研究现状，并展望了该技术的应用前景。
关键词：脉冲激光沉积（ＰＬＤ） 功能薄膜 应用 研究现状
中图分类号：ＴＢ３４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６－７９７３（２００７）１２－００４４－０２
一、前言 脉冲激光沉积（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，简称ＰＬＤ） 是新近发展起来的一项技术，继２０世纪８０年代末成功地制 备出高临界温度的超导薄膜之后，它独特的优点和潜力逐渐 被人们认识和重视。该项技术在生成复杂的化合物薄膜方面 得到了非常好的结果。与常规的沉积技术相比，脉冲激光沉 积的过程被认为是“化学计量”的过程，因为它是将靶的成 分转换成沉积薄膜，非常适合于沉积氧化物之类的复杂结构 材料。当前脉冲激光制备技术在难熔材料及多组分材料（如 化合物半导体、电子陶瓷、超导材料）的精密薄膜，显示出 了诱人的应用前景。 二、ＰＬＤ技术原理及特点 １．ＰＬＤ技术原理 ＰＬＤ是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光聚焦作用 于靶材表面，使靶材表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高 温高压等离子体（Ｔ＞１０４Ｋ），这种等离子体定向局域膨胀， 在基片上沉积形成薄膜。其装置示意图见图１。并且由于激 光能量的特点是在空间和时间的高度集中，产生的等离子体 能量远高于常规蒸发产物和溅射离子，平均能量为几十ｅ Ｖ。
早在１９８７年，美国贝尔实验室Ｄｉｊｌｄｃａｍｐ等首先使用 ｌ（ｒＦ脉冲准分子激光器来制备高质量的高温超导薄膜。对于 Ｙ系薄膜材料，要达到可供实用化的高临界电流密度以，就 必须使ＹＢＣＯ材料的织构取向高度一致，并克服金属基底与 ＹＢＣＯ材料之间的相互扩散问题。人们一般采取在金属基底 上先沉积一层或几层具有高度织构并且化学性质稳定的扩散 障碍层，然后外延生长ＹＢＣＯ薄膜，只有Ｃ轴取向的超导薄 膜才显示出超导特性。王荣平等在立方织构的Ｎｉ基带上用 ＰＬＤ沉积掺Ａｇ的ＹＢＣＯ薄膜，其临界电流密度达到 １．１ ５ＭＡ／ｃｍ２。Ｔａｋｉ等人研究了用Ｐｔ缓冲层来制备ＹＢＣＯ
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万方数据
PLD技术在功能薄膜材料研究中的应用
作者：
作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
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长出了ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ，和ＣｄＴｅ纳米薄膜。Ｓ．
Ｉｔｏ等人采用ＰＬＤ法以热压ＧａＮ粉末为靶材，以Ｎ２为背景 气体，在ＭｎＯ衬鹿上沉积生长了ＧａＮ薄膜。Ｄ．Ｃｏｌｅ等人
分别以Ｎ２和ＮＨ。为背景气体，以冷压成型后烧结的ＧａＮ作 为靶材，在蓝宝石衬底上均获得纤锌矿结构的ＧａＮ薄膜，而
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图１ ＰＬＤ装置示意图
Ｉ基片 ２膜层 ３等离子羽辉 ４靶 ５激光束 ６聚焦镜 ７接真空泵 ８真空室
薄膜的沉积可分为三个阶段：首先，在高强度脉冲激光 的照射下的材料一致汽化，产生高浓度的等离子体；接着，
等离子体与激光束继续作用，温度和压力迅速升高，沿靶面
法向作定向局域等温绝热膨胀发射；最后，作绝热膨胀发射
的激光分子束外延技术的完善，脉冲激光制膜将会在高质量
的纳米半导体薄膜！超晶格和新型人工设计薄膜的研究方面
得到迸一步的发展，同时能加快薄膜生长机理的研究和提高
薄膜的应用水平，加速材料科学和凝聚态物理学的研究进程。 参考文献
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第５卷 第１２期
２００７盎
１２月
中国水运
Ｃｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ＶｏＩ．５ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ
Ｎｏ．１２ ２００７
ＰＬＤ技术在功能薄膜材料研究中的应用
刘桂珍 周小荣 何永 周 建
摘要：薄膜材料已在半导体材料、超导材料、生物材料、微电子元件等方面得到广泛应用。为了得到高质量的薄
膜材料，脉冲激光沉积技术受到了广泛的关注。本文介绍了脉冲激光沉积（ＰＬＤ）薄膜技术的原理及特点，分析了
的等离子体迅速冷却，遇到位于靶对面的衬底后即在衬底上
沉积形成薄膜。～１’‘
一
２．ＰＬＤ技术特点一
脉冲激光沉积作为一种新型的镀膜技术，与其他薄膜沉 积技术如分子柬外延和金属有机气相外延制膜技术相比有其 独特的优点：（１）独特的源材料转移方式，可以生长和靶材 成分一致的多元化合物薄膜，甚至含有易挥发元素的多元化 合物薄膜；（２）激光脉冲对膜厚的高度可控性；（３）激光熔 蚀产生高能粒子大大提高了薄膜表面的可移动性；（４）激光 作为一个外部能源不会引起沉积过程的污染；（５）沉积过程 中可以引入各种气体如０２、Ｈ２、Ｎ２、ＮＨｓ，Ａｒ等，非常有
且在ＮＨ３气氛中得到的ＧａＮ薄膜具有较低的电阻率。Ｊ．
Ｏｈｔａ等人分别以压制的ＧａＮ靶和热压了的ＡＩＮ粉为靶材， 以ＡＩＮ作为缓冲层，在蓝宝石衬底上沉积生长了ＧａＮ薄膜，
研究还发现ＡＩＮ缓冲层引起ＧａＮ薄膜极性的变化。ＰＬＤ法 制备ＺｎＯ薄膜的研究也受到科研工作者的广泛关注，开展了
大量的研究工作，何建廷综述了采用ＰＬＤ法制备的ＺｎＯ
利于制备多元素化合物及掺杂；（６）移浓温度低，可以在室
温下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜；（７）灵活的 换靶装置，非常利于多层膜、超晶格薄膜的生长。
三、ＰＬＤ技术功能薄膜研究中的应用 由于ＰＬＤ技术的巨大优点，人们不断研究和探讨ＰＬＤ 法能够沉积的薄膜材料的种类。现在，以ＰＬＤ为基础而衍生 出来的薄膜制备方法几乎能够沉积现有的各种薄膜材料。目 前，该技术在薄膜材料方面的研究主要集中在以下几个方面。 １．高温超导薄膜
收稿日期：２００７—１０—１２ 作者简介：刘桂珍武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室
（４３００７０）
万方数据
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第１２期
刘桂珍：ＰＬＤ技术在功能薄膜材料研究中的应用
的薄膜，一种激光一靶一基片复合扫描技术被发展起来。这种 技术的特点是不仅靶和激光在扫描，而且基片也作一维或二 维扫描运动，用这种技术已经制备出直径为１５ ＣｌＴＩ的薄膜。
２．铁电薄膜 铁电薄膜是在铁电记忆、压电、热释电和介电等集成器 件中有重要应用的一种功能薄膜。由于铁电薄膜成分的复杂 性，原有的制备薄膜方法难以制备出满足要求的薄膜，限制 了其研究和应用。ＰＬＤ由于其可以保持靶材化学计量比的优 点，已成为制备铁电薄膜的重要手段。用传统的溅射法、溶 胶一凝胶法（ｓｏｌ－Ｇｅｌ）以及有机化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ） 等方法制备的压电材料薄膜都有很大的局限，如沉积速率低， 基片处理温度高等，而且还必须采用特另Ⅱ制备的原材料。而 采用ＰＬＤ技术则可克服这些限制，沉积出高度Ｃ轴取向的 ＰＺＴ等材料薄膜。为了克服ＰＺＴ薄膜在极性转换中容易疲劳 的现象，１９９９年，Ｂ．Ｈ．Ｐａｕｋ等又利用ＰＬＤ法成功制备 了ＢＬＴ（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ—ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｂｉｓｍｕｔｈ ｔｉｔａｎａｔｅ） 薄膜。湖北大学的顾豪爽等人也用ＸｅＣＩ准分子激光器制备 出ＢＳＴ薄膜，厚度４００ｎｍ，介电常数为３００，损耗为０．０１５， 漏电流密度为２×１０１０Ａ／ＣｌＴｌ２，表现出良好的电性能。采用 ＰＬＤ方法在铁电薄膜／衬底及铁电薄膜／电极之间添加缓冲 层，制备多层膜和外延异质结构的方法，来改善铁电薄膜的 电性能，防止铁电薄摸的老化、电阻特性的退化以及器件的 疲劳和失效等方面，也取得了一些满意的实验结果。 ３．超巨磁电阻（ＣＭＲ，）薄膜 自从１９９３年Ｈｅｌｍｏｌｔ等在ＬａＢａＭｎ０３薄膜中观察到 了巨大（ｉ０５％－１０６％）的负磁阻效应后，引起了物理、计算 机、材料和自动控制等领域的众多科学家的极大兴趣。传统 的制备方法（磁控溅射）薄膜的结晶性很差。而ＰＬＤ方法属 于非平衡制膜方法，通过引入各种气体可以使薄膜的结晶性 变好。而沉积温度低可以避免高温对基片材料的热损伤而降 低器件的性能。香港科技大学的Ｍ．Ｆ．Ｌｉ，Ｋ．Ｈ．Ｗｏｎｇ利用 ＸｅＣｌ准分子激光器制备出了Ｔｉ／Ｓｉ基薄膜，具有大的巨磁电 阻效应。西北工业大学的高国棉等人【１７ｌ用ＰＬＤ方法制备出了 ＬＣＳＭＯ系列薄膜。衡量材料ＧＭＲ性能的两个最基本参数 是： （１）在一定温度下所能达到的最大ＧＭＲ值； （２）获 得最大ＧＭＲ效应所需施加的饱和外磁场强度。ＧＭＲ与饱和 磁场强度的比值称为磁场灵敏度。巨磁电阻效应材料要获得 广泛应用的一个关键问题，是开发既具有低的饱和场，又具 有高的ＧＭＲ效应的合金系统。研究和开发室温磁场灵敏度 高的ＧＭＲ磁性薄膜材料是凝聚态物理和材料科学领域的重 要任务。 ４．半导体薄膜 宽禁带Ⅱ．Ⅳ族半导体薄膜一直被认为是制作发射蓝色 和绿色可见光激光二极管和光发射二极管首选的材料。Ⅱ一Ⅵ 族半导体在固体发光、红外、激光、压电效应等器件方面有 着广泛应用前景。半导体薄膜传统的制备方法主要是通过分 子束外延（ＭＢＥ）和金属有机化学气相外延（ＭＯＶＯＥ）合 成。近年来人们对ＰＬＤ法制备半导体薄膜进行了广泛研究。