脉冲激光沉积技术
脉冲激光沉积原理
脉冲激光沉积原理
脉冲激光沉积是一种激光表面处理技术，该技术利用高能量密度的脉冲激光束，使其在材料表面产生瞬间高温和高压，从而使材料表面发生物理和化学变化，形成一层薄膜或涂层。
脉冲激光沉积的原理主要包括以下几个方面：
1. 脉冲激光的作用机理。
脉冲激光的能量密度高，脉冲宽度短，激光束以极高的速度瞬间照射到材料表面，使材料表面产生瞬间高温和高压，从而使材料表面的原子和分子发生各种物理和化学变化。
2. 材料表面的反应机制。
脉冲激光照射到材料表面后，材料表面原子和分子发生吸收、反射、透过等多种反应。
当激光束的能量密度超过材料表面的界限时，材料表面就会发生物理和化学变化，形成一层薄膜或涂层。
3. 激光参数的选择。
脉冲激光沉积的效果受到激光功率、脉冲宽度、重复频率、脉冲数等参数的影响。
不同的激光参数会导致不同的材料表面处理效果和薄膜性能。
脉冲激光沉积技术具有高效、高精度、不产生热变形等优点，被广泛应用于材料表面处理、微纳加工、光学器件制造等领域。
- 1 -。
脉冲激光沉积原理
脉冲激光沉积原理
首先是靶材剥离。
激光束在靶材表面聚焦后，因为激光的能量密度较高，会产生很高的温度和压力。
这导致靶材表面的物质剥离成等离子体、
气体和聚合物颗粒等形式。
这个过程称为靶材的剥离。
接下来是激光等离子体形成。
剥离的物质形成的等离子体在激光束作
用下会出现激起和电离的过程。
这个过程中，物质的原子和离子被“打掉”，形成类似“云”的等离子体状态。
由于等离子体呈现高能量和高浓
度的特点，因此它具有较高的沉积速率。
最后是薄膜沉积。
等离子体在激光束的作用下从靶材表面射出并沉积
到衬底上。
由于等离子体的高能量和高浓度，在沉积过程中会产生较高的
动能和热能，从而促进薄膜的形成和成长。
脉冲激光沉积技术的优点在于可以制备多种不同性质的薄膜，包括纯
金属、合金、多元化合物、陶瓷、聚合物等。
此外，PLD可以在相对较低
的温度下进行，使得敏感材料的制备成为可能。
同时，PLD因为使用脉冲
激光，可以精确控制材料的组成，薄膜的均匀性以及结晶度等特性。
然而，尽管PLD具有广泛的应用潜力，但仍存在一些挑战。
首先，脉
冲激光沉积技术需要高功率脉冲激光器，这增加了设备的成本和复杂性。
其次，PLD过程中的高温和高压环境会导致杂质的掺杂和结构缺陷的形成。
此外，靶材的去离子处理和均匀性对于PLD过程的成功也至关重要。
总而言之，脉冲激光沉积是一种重要的薄膜制备技术，具有制备多种
材料薄膜的能力。
通过理解脉冲激光沉积的原理和优缺点，可以更好地控
制薄膜的性质和应用。
脉冲激光沉积的原理及应用
脉冲激光沉积的原理及应用1. 前言脉冲激光沉积是一种先进的加工技术，它利用高能脉冲激光束对材料进行瞬间加热和冷却，从而实现材料的沉积和成型。
本文将介绍脉冲激光沉积的原理以及它在不同领域中的应用。
2. 脉冲激光沉积的原理脉冲激光沉积的原理可以简单概括为以下几个步骤：•步骤一：利用适当的铺层方法，将一层金属粉末均匀铺在工作台上。
•步骤二：使用高能脉冲激光束对金属粉末进行瞬间加热，使其表面熔化并融合在一起。
•步骤三：脉冲激光束停止后，融化的金属粉末迅速冷却固化，形成一层固体金属沉积物。
•步骤四：重复以上步骤，逐渐堆积多层金属沉积物，最终形成所需的三维结构。
脉冲激光沉积的原理是利用高能脉冲激光束的瞬间加热和冷却特性，实现金属粉末的快速熔化和固化，以及其在三维空间中的沉积和成型。
3. 脉冲激光沉积的应用脉冲激光沉积技术在众多领域中都有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域。
3.1 高精度制造脉冲激光沉积技术可以实现高精度的制造，特别适用于制造复杂形状的零部件或器件。
例如，在航空航天领域，可以使用脉冲激光沉积技术制造具有复杂内部结构的燃烧室等零部件，以提升发动机的性能和可靠性。
3.2 修复与再制造脉冲激光沉积技术可以用于修复和再制造各种零部件。
通过在损伤或磨损部位进行局部加热和沉积，可以修复或增强零部件的功能。
这在汽车制造、机械制造等行业中具有重要应用价值。
3.3 仿生医学脉冲激光沉积技术可以用于制造仿生医学器件，如人工骨骼、关节和牙齿等。
通过将生物材料与金属粉末混合，脉冲激光沉积技术可以制造出具有高度仿真生物结构和功能的器件，为医学研究和临床治疗提供了新的可能性。
3.4 材料研究脉冲激光沉积技术在材料研究领域中也有广泛的应用。
通过控制脉冲激光的参数和材料粉末的性质，可以制备出具有特殊结构和性能的材料。
这对于研究新型材料的特性和应用具有重要意义。
4. 总结脉冲激光沉积技术是一种先进的加工技术，利用高能脉冲激光束对材料进行瞬间加热和冷却，实现材料的沉积和成型。
脉冲激光沉积pld技术及其应用
脉冲激光沉积pld技术及其应用脉冲激光沉积（PLD）技术及其应用一、简介脉冲激光沉积（pulsed laser deposition，PLD）是一种新型的无接触沉积技术，可以在均匀度、速度和性能等方面显著优于传统的技术。
PLD可以用于制备各种氧化物、碳化物和硫化物薄膜材料，如氧化铟锡、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化钒和氧化铈等。
它可以在各种条件下用于定向长晶生长以及相变等研究。
此外，还可以用来生产无机复合薄膜及多层结构膜。
PLD技术可以分为单相和复合技术。
单相PLD是将质子束凝聚为很小的脉冲，并将其射入物质中来实现沉积。
复合PLD则是将物质以脉冲的形式从质子束中发射出来，并将其凝聚在某个表面上形成复合膜，从而达到沉积的目的。
二、原理PLD技术主要由激光光源、脉冲控制器和沉积炉组成，其中脉冲激光沉积（PLD）是一种把脉冲激光束从被沉积材料中激出的新型沉积技术，它的有点是同时允许对较高温度的材料，特别是金属，进行沉积。
PLD的原理是通过激光照射材料，使之形成脉冲辐射，然后将辐射辐射到壁上，使原子能被吸收，然后沉积在被沉积材料的表面上，从而形成沉积膜。
三、应用1、用于材料表面改性由于PLD技术可以用于制备各种氧化物、碳化物和硫化物薄膜，因此可以用于材料表面改性。
通过将薄膜材料涂覆在表面上，可以改变表面的光学、电学等性能，从而提高材料的可利用性。
例如，金属钛的PLD硫化膜可以改善钛的耐蚀性，而钛酸锆的PLD碳化膜可以改善钛的耐热性。
2、用于功能型材料的制备PLD技术还可以用于制备功能型材料，如氧化锆基杂化膜、氧化锗基杂化膜、氧化铝基杂化膜、氧化锰基杂化膜和氧化钛基杂化膜等。
这些材料具有独特的光学、电学和力学性能，可以用于电子器件、传感器、高性能涂料和纳米结构等的制备。
3、用于光刻光学元件的制备PLD技术还可以用于光刻光学元件的制备。
这种技术可以生产折射率高的氧化锆膜，从而可以改善光学系统的像散和成像质量。
脉冲激光沉积技术
激光功率
激光功率是脉冲激光沉积过程中的重要参数，它决定了激光能量的大小，从而影响 薄膜的生长速率和成分。
激光功率过低可能导致薄膜生长速率缓慢，而激光功率过高则可能导致基板熔化或 产生其他热效应。
在实际应用中，需要根据基板材料、薄膜成分和厚度等因素选择合适的激光功率。
脉冲宽度
脉冲宽度决定了每个脉冲持续的 时间，它与激光能量和脉冲频率 共同决定了单位时间内激光的总
提高薄膜的生长速率。
然而，过高的脉冲频率可能导致 热积累和热应力增加，因此需要 综合考虑脉冲频率和其他工艺参
数的相互影响。
扫描速度
扫描速度决定了激光在基板上移动的快 慢，它与激光能量和脉冲频率共同决定 了单位面积上接收到的激光能量。
然而，过快的扫描速度可能导致激光 能量不足，影响薄膜的生长速率和成 分。
可能引起材料损伤
脉冲激光的高能量密度可能会引起材 料损伤，如热裂、气孔等，需要进一 步优化工艺参数。
05
脉冲激光沉积技术 的发展趋势和未来 展望
技术改进与创新
01
脉冲激光器的性能提升
随着激光技术的不断发展，脉冲激光器的功率、重复频率和稳定性等性
能将得到进一步提升，为脉冲激光沉积技术提供更强的能量和更好的加
靶材
01
02
03
靶材的种类
靶材是脉冲激光沉积技术 的核心组成部分，根据不 同的应用需求，可以选择 不同的靶材。
靶材的特点
靶材需要具有良好的稳定 性和高纯度，以确保制备 出的材料具有高质量和可 靠性。
靶材的应用
靶材广泛应用于材料科学、 电子学、光学等领域，如 薄膜制备、涂层制备、晶 体生长等。
基板
04
脉冲激光沉积技术Leabharlann 的优缺点优点高沉积速率
脉冲激光沉积原理
脉冲激光沉积原理
脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，简称PLD）是一种将激光束瞬间作用于靶材表面，使其物质溅射，在底板上沉积成薄膜的技术。
该技术具有高纯度、高简化度、高复杂度、高膜质量和高可控性等优点，可广泛应用于各种材料的薄膜制备和研究。
PLD技术的实现基础是激光与物质相互作用的几个基本过程，包括：吸收、传输、耦合、能量转化和溅射等。
在PLD过程中，首先就是激光的吸收过程。
通常，激光波长在400nm到1μm之间，与靶材相互作用时，会被物质吸收而转化为电子和电磁场等。
然后，激光能量会传输到靶材内部，通过电子和离子的耦合，使物质发生局部升温和扩散。
当耦合的电子和离子达到足够高的能量时，会带动靶材表面物质分子溅射出来。
这种由靶材表面物质分子溅射出来的原子、离子和中性物质称为飞行物种。
最后，飞行物种沉积在底板上形成所需的薄膜。
在PLD技术中，激光的功率密度、波长、脉宽和重复频率等参数会影响物质吸收、传输、耦合和溅射等过程。
因此，PLD技术需要精确控制这些参数，使物质均匀、高效、低缺陷地沉积在底板上。
此外，靶材的化学组成和表面形貌等也会影响PLD的效果。
因此，正确选择靶材及其制备方法非常关键，能够有效地提高PLD技术的可靠性和重复性。
总的来说，PLD技术是一种高效、精确、可控、高质量的薄膜制备技术，广泛应用于半导体、磁性材料、超导材料、光学材料、生物材料、纳米材料等领域中。
脉冲激光沉积类金刚石膜技术
脉冲激光沉积类金刚石膜技术引言：脉冲激光沉积类金刚石膜技术是一种先进的表面涂层技术，通过利用激光辐照金刚石前驱体材料，将金刚石晶粒沉积在基材表面形成金刚石膜。
该技术具有高硬度、高热导率、低摩擦系数等优良性能，被广泛应用于各个领域，如机械、电子、光学等。
一、脉冲激光沉积类金刚石膜技术的原理脉冲激光沉积类金刚石膜技术是利用激光的高能量密度和短脉冲宽度，通过激光辐照金刚石前驱体材料，使其发生瞬时加热和快速冷却，从而在基材表面形成金刚石膜。
该技术在几个方面具有优势：首先，激光辐照能够提供高能量密度，使金刚石前驱体材料迅速升温并达到融化温度；其次，短脉冲宽度使瞬时加热时间极短，从而避免了材料的过热和热应力；最后，快速冷却可以促使金刚石晶粒的形成和生长，从而形成致密的金刚石膜。
二、脉冲激光沉积类金刚石膜技术的优势1. 高硬度：金刚石是一种硬度极高的材料，其硬度仅次于金刚石，具有出色的耐磨性能。
脉冲激光沉积类金刚石膜技术可以在基材表面形成均匀致密的金刚石膜，大大提高了材料的硬度和耐磨性。
2. 高热导率：金刚石具有优异的热导率，能够迅速将热量传导到基材中，有效降低了材料的温度梯度，减少了热应力的产生。
脉冲激光沉积类金刚石膜技术可以在基材表面形成高热导率的金刚石膜，提高了材料的散热性能。
3. 低摩擦系数：金刚石具有极低的摩擦系数，能够显著降低材料的摩擦损失和能量消耗。
脉冲激光沉积类金刚石膜技术可以在基材表面形成光滑的金刚石膜，降低了材料之间的摩擦和磨损。
4. 多功能性：脉冲激光沉积类金刚石膜技术可以在各种基材上形成金刚石膜，包括金属、陶瓷、聚合物等。
这使得金刚石膜技术具有广泛的应用领域，如机械、电子、光学等。
三、脉冲激光沉积类金刚石膜技术的应用1. 机械领域：脉冲激光沉积类金刚石膜技术可以用于制造高硬度和耐磨性的机械零部件，如轴承、刀具、摩擦副等。
金刚石膜可以有效减少零件的磨损和摩擦损失，提高机械设备的使用寿命和性能。
脉冲激光沉积技术ppt
突破多元素、多相材料制备的技术瓶颈，实现多元复杂材料的脉冲 激光沉积。
激光与材料相互作用机制
深入研究激光与材料相互作用机制，优化脉冲激光沉积工艺参数， 提高材料性能。
应用领域的拓展
新材料研发
01
利用脉冲激光沉积技术制备高性能新材料，满足能源、环境、
生物医疗等领域的需求。
微纳制造
02
将脉冲激光沉积技术应用于微纳制造领域，实现高精度、高效
激光器选择与参数设置
激光器类型选择
根据需求选择合适的脉冲激光器，如二氧化碳激光器、YAG 激光器等。
激光参数设置
调整激光脉冲宽度、频率、能量等参数，以满足沉积需求。
脉冲激光照射与靶材熔化
激光聚焦与扫描
通过光学系统将激光聚焦在靶材表面， 并控制激光扫描速度和路径。
靶材熔化与蒸发
激光照射导致靶材局部熔化并蒸发为 原子或分子。
详细描述
通过调整脉冲激光的参数和靶材的组合，可以在基材上同时沉积出多种材料，形成具有 优异性能的复合材料。这些复合材料在航空航天、能源、生物医学等领域具有广泛的应
用前景。
05
脉冲激光沉积技术的未 来发展与挑战
技术创新与突破
高效脉冲激光器
研发更高功率、更短脉冲宽度和更稳定输出的脉冲激光器，提高 脉冲激光沉积的效率和质量。
03Βιβλιοθήκη 脉冲激光沉积技术工艺 流程靶材选择与准备
靶材选择
根据应用需求，选择合适的靶材 ，如金属、陶瓷等。
靶材制备
对靶材进行切割、研磨和抛光等 处理，确保其表面质量和尺寸符 合要求。
真空环境建立与控制
真空室清洗
在沉积前对真空室进行彻底清洗，确保无残留物。
真空度监测与控制
脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点
脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March脉冲激光沉积技术所谓“脉冲激光沉积技术”是将脉冲准分子激光所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于真空室内的靶材表面，使靶在极短的时间内加热熔化、气化直至使靶材表面产生高温高压等离子体，形成一个看起来像羽毛状的发光团—羽辉；等离子体羽辉垂直于靶材表面定向局域膨胀发射从而在衬底上沉积形成薄膜。
脉冲激光沉积（PLD）是一种新型的制膜技术，PLD制备薄膜大体可分为三个过程：激光与靶材相互作用产生等离子体；等离子体在空间的输运；等离子体在基片上沉积形成薄膜。
与其它制膜技术相比，PLD具有以下特点和优势：一、所沉积形成的薄膜可以和靶材成分保持一致。
由于等离子体的瞬间爆炸性发射，不存在成分择优蒸发效应以及等离子体发射的沿靶轴向的空间约束效应，因此膜与靶材的成分保持一致。
由于同样的原理，PLD可以制备出含有易挥发元素的多元化合物薄膜。
二、可在较低温度下原位生长织构膜或外延单晶膜。
由于等离子体中原子的能量比通常蒸发法产生的离子能量要大得多，原子沿表面的迁移扩散更剧烈，故在较低温度下也能实现外延生长，而低的脉冲重复频率也使原子在两次脉冲发射之间有足够的时间扩散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生长。
PLD 的这一特点使之适用于制备高质量的高温超导、铁电、压电、电光等多种功能薄膜。
三、能够获得连续的极细薄膜，制备出高质量纳米薄膜。
由于高的离子动能具有显著增强二维生长和抑制三维生长的作用，故PLD促进薄膜的生长沿二维展开，并且可以避免分离核岛的出现。
四、生长速率较快，效率高。
比如，在典型的制备氧化物薄膜的条件下，1小时即可获得1微米左右的膜厚。
五、生长过程中可原位引入多种气体，包括活性和惰性气体，甚至它们的化合物。
气氛气体的压强可变范围较大，其上限可达1torr.甚至更高，这点是其它技术难以比拟的。
脉冲激光沉积PLD
脉冲激光沉积PLD引言脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，简称PLD）是一种重要的材料制备技术，广泛应用于材料科学和工程领域。
本文将介绍脉冲激光沉积的基本原理、工作机制以及在材料制备中的应用。
基本原理脉冲激光沉积是一种使用激光脉冲将材料从目标上脱落并沉积于基底上的过程。
其基本原理可以简单描述为以下几个步骤：1.激光脉冲照射：以高能量激光脉冲照射材料目标表面，产生高温和高压的条件。
2.目标脱落：激光脉冲作用下，原子级别的张力差使得目标表面的材料脱落。
3.沉积过程：脱落的材料以原子、分子或团簇形式在基底上沉积。
4.结晶与生长：沉积的材料在基底上结晶并生长为薄膜。
工作机制脉冲激光沉积的工作机制受多个参数影响，包括激光脉冲能量、激光脉冲持续时间、激光脉冲重复频率等。
这些参数可以调节来控制沉积薄膜的性质和结构。
1.激光参数：激光脉冲的能量和重复频率具有重要影响。
较高的能量可以产生更高的温度和压力，促进材料的脱落和沉积过程。
而适当的重复频率能够提高沉积效率和生长质量。
2.气氛气体：PLD过程通常在真空或惰性气氛下进行。
气氛气体可以在激光沉积过程中控制薄膜的化学组成以及晶型结构。
3.基底材料：基底材料的选择对脉冲激光沉积的结果也具有重要影响。
基底的晶格匹配性和热传导性能对薄膜的结晶和生长起着关键作用。
应用领域脉冲激光沉积在材料制备领域具有广泛的应用，特别适用于制备薄膜材料和异质结构。
以下是一些常见的应用领域：1.光电子学：脉冲激光沉积可以制备具有特殊光学性质的材料，如透明导电薄膜、反射膜等，用于光电子学器件的制备。
2.超导材料：脉冲激光沉积可以制备高温超导材料的薄膜，用于超导器件和能源应用。
3.磁性材料：通过控制沉积过程中的气氛气体和基底材料，可以制备具有特殊磁性结构和性质的薄膜。
4.纳米材料：脉冲激光沉积可以制备纳米尺度的材料，如纳米晶和纳米线，应用于电子、光学和能源等领域。
结论脉冲激光沉积是一种重要的材料制备技术，具有广泛的应用前景。
《脉冲激光沉积》课件
工艺优化的目的
工艺优化的目的是通过调整实验参数，获得高质量 的沉积膜，并提高沉积效率和经济性。
工艺优化的方法
工艺优化可以通过单因素实验、正交实验和 响应曲面法等方法进行，以实现最佳的工艺 参数组合。
03
脉冲激光沉积薄膜特性
物理性质
光学性质
脉冲激光沉积薄膜具有高透过率、低反射率和优异的 光学性能。
脉冲激光沉积薄膜具有一定的催 化活性和反应活性，能够用于催 化反应和传感器等领域。
显微结构与形貌
晶体结构
脉冲激光沉积薄膜具有高度取向的晶体结构，能够提高薄 膜的力学性能和光学性能。
01
表面形貌
脉冲激光沉积薄膜表面光滑、均匀，无 明显缺陷和杂质，有利于提高薄膜的耐 腐蚀性和耐磨性。
02
03
相组成
脉冲激光沉积薄膜具有单一相或多种 相组成，能够通过调整工艺参数实现 不同相组成和显微结构的调控。
衬底的作用
衬底在脉冲激光沉积中起到支撑 和引导材料生长的作用，其表面 质量、晶体结构和化学稳定性等 对沉积膜的质量有重要影响。
衬底与靶材的匹配
在选择衬底和靶材时，需要考虑 它们之间的匹配程度，以确保沉 积膜的质量和附着力。
脉冲激光沉积实验装置
实验装置的组成
01
脉冲激光沉积实验装置主要由脉冲激光器、光路系统、真空腔
特点
脉冲激光沉积具有高能脉冲激光束的高能量密度、高精度控 制、高沉积速率等优点，能够制备出高质量、高性能的薄膜 材料，广泛应用于材料科学、电子工程、光学等领域。
工作原理
工作原理
脉冲激光沉积的工作原理是利用高能脉冲激光束照射靶材，产生高温、高压、高 能量密度的等离子体，等离子体在基底上快速凝固形成薄膜。
脉冲激光沉积技术
离的核素组成。若果溶化作用在真空之下进行，
核素本身会即时在靶表面上形成光亮的等离子羽
状物。下图展示了一些过程中產生的典型等离子 羽状物。
2020/4/15
6
PLD的机制
• 的系统设备简单，相反，它的原理却是非常复杂 的物理现象。它涉及高能量脉衝辐射衝击固体靶 时，激光与物质之间的所有物理相互作用，亦包 括等离子羽状物的形成，其后已熔化的物质通过 等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移，及 最后的膜生成过程。所以，一般可以分為以下四 个阶段：
• 1. 激光辐射与靶的相互作用 • 2. 熔化物质的动态 • 3. 熔化物质在基片的沉积 • 4. 薄膜在基片表面的成核与生成
2020/4/15
7
激光辐射与靶的相互作用
• 在第一阶段，激光束聚焦在靶的表面。达 到足够的高能量通量与短脉衝宽度时，靶 表面的一切元素会快速受热，到达蒸发温 度。物质会从靶中分离出来，而蒸发出来 的物质的成分与靶的化学计量相同。物质 的瞬时溶化率大大取决於激光照射到靶上 的流量。熔化机制涉及许多复杂的物理现 象，例如碰撞、热，与电子的激发、层离， 以及流体力学。
2020/4/15
4
脉冲激光沉积法
脉冲激光沉积法
是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使 其产生高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀 发射并在衬底上沉积形成薄膜。
2020/4/15
5
• 总的来说，的概念简单易懂。脉冲激光束聚焦在 固体靶的表面上。固体表面大量吸收电磁辐射导
2020/4/15
10
2.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
脉冲激光沉积技术
2019/7/23
12
脉冲激光沉积的优点
可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜 易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜 由于激光的能量高，可以沉积难熔薄膜 灵活的换靶装置便于实现多层膜及超晶格膜的生长 生长过程中可以原位引入多种气体，提高薄膜的质量 污染小
缺点
2019/7/23
薄膜存在表面颗粒问题
2019/7/23
10
2.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)
等离子体区
等离子体羽辉
沿靶面法线方向 轴向约束性
2019/7/23
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• 第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击 基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作 用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与 受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区 （碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成為凝结粒子 的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平 衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子流减弱，膜便能在 基片表面生成。
2019/7/23
返回16
Laser Ablation 薄膜沉积装置
(or Laser deposition 可避免EB蒸发的对衬 底X-ray损伤)
准分子激光
(KrF、248nm、 2-5J/cm2)
2019/7/23
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返回 2019/7/23
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薄膜沉积的厚度均匀性
在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑膜厚
脉冲激光沉积技术
11
• 第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击 基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作 用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与 受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区 （碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成為凝结粒子 的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平 衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子流减弱，膜便能在 基片表面生成。
2019/1/19
12
脉冲激光沉积的优点
可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜 易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜 由于激光的能量高，可以沉积难熔薄膜
灵活的换靶装臵便于实现多层膜及超晶格膜的生长
生长过程中可以原位引入多种气体，提高薄膜的质量 污染小 薄膜存在表面颗粒问题 缺点 很难进行大面积薄膜的均匀沉积
2019/1/19 4
脉冲激光沉积法
脉冲激光沉积法
是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使 其产生高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀 发射并在衬底上沉积形成薄膜。
Байду номын сангаас
2019/1/19
5
• 总的来说，的概念简单易懂。脉冲激光束聚焦在 固体靶的表面上。固体表面大量吸收电磁辐射导 致靶物质快速蒸发。蒸发的物质由容易逃出与电 离的核素组成。若果溶化作用在真空之下进行， 核素本身会即时在靶表面上形成光亮的等离子羽 状物。下图展示了一些过程中產生的典型等离子 羽状物。
Me TdAedt TAet
其中T为单位面积的蒸发速率，dAe为蒸发源表面单元，t为时间。在上述 的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落 到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源dAs上沉 积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密 度为∶
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分子束外延
超声喷雾热 解
直流溅射
薄膜制备方法
脉冲激光沉积
溶胶凝胶法
2018/11/9
1
脉冲激光沉积的实验仪器图
2018/11/9
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• 1960年，激光的示范首次出现。自此以后，激光 受到多方面应用，发展成為强效的工具。激光对 物料加工的帮助，效果尤其显着。激光具备许多 独特的性质，例如狭窄的频率带宽、相干性、以 及高释能密度。通常，光束的强度足以汽化最坚 硬与最耐热的物料。再加上激光精确、可靠、具 备良好的空间分辨能力。这些出色表现，所以得 到机製薄膜、物料改造、物料表面加热处理、熔 接，及微型图案等工业广泛使用。除此之外，多 组分物质能够溶化，并沉积在底物上，形成化学 计量薄膜。
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PLD法制备薄膜实验流程图
安装靶材与衬底 调整激光器参数
激光器为YAG固体激光器，波长 ＝532nm(绿光）,激光脉宽为10ns, 频率为1Hz,3Hz,5Hz.能量为0---300mJ可调．
抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa）
开加热装置，通气体 导入激光进行镀膜 关闭仪器
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激光辐射与靶的相互作用
• 在第一阶段，激光束聚焦在靶的表面。达 到足够的高能量通量与短脉衝宽度时，靶 表面的一切元素会快速受热，到达蒸发温 度。物质会从靶中分离出来，而蒸发出来 的物质的成分与靶的化学计量相同。物质 的瞬时溶化率大大取决於激光照射到靶上 的流量。熔化机制涉及许多复杂的物理现 象，例如碰撞、热，与电子的激发、层离， 以及流体力学。
(传统蒸发沉积的问题之一是蒸发和参与沉积的能量低，只相当于健合能的数十分之一，LA法和溅射镀 膜法在这方面有优势)
在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室 中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同 波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。 激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物材 料，比如近年来研究较多的高温超导材料YBa2Cu3O7等。这种方法也存 在容易产生微小的物质颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性的问题。
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Laser Ablation 薄膜沉积装置
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基片靶材旋转法 激光束运动
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新方法：激光分子束外延
PLD中的重要实验参数
基体的加热温度
影响沉积速率和薄膜的质量
氧气的压力 沉积时间 基体与靶的距离 激光能量，频率
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过高不利于薄膜择优取向的形成 过低导致化学配比失衡，内部缺陷增多 影响薄膜的厚度 影响薄膜的均匀性 影响沉积速率
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1. 激光与靶材相互作用产生等离子体
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。
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熔化物质的动态
• 在第二阶段，根据气体动力学定律，发射 出来的物质有移向基片的倾向，并出现向 前散射峰化现象。空间厚度随函数cosnθ而 变化，而n>>1。激光光斑的面积与等离子 的温度，对沉积膜是否均匀有重要的影响。 靶与基片的距离是另一个因素，支配熔化 物质的角度范围。亦发现，将一块障板放 近基片会缩小角度范围。
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脉冲激光沉积法
脉冲激光沉积法
是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使 其产生高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀 发射并在衬底上沉积形成薄膜。
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• 总的来说，的概念简单易懂。脉冲激光束聚焦在 固体靶的表面上。固体表面大量吸收电磁辐射导 致靶物质快速蒸发。蒸发的物质由容易逃出与电 离的核素组成。若果溶化作用在真空之下进行， 核素本身会即时在靶表面上形成光亮的等离子羽 状物。下图展示了一些过程中產生的典型等离子 羽状物。
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C 激光蒸发镀膜(laser ablation)装置
使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉 积法。显然，这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸 发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激 光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般 显著高于其它的蒸发方法。
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脉冲激光沉积的优点
可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜 易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜 由于激光的能量高，可以沉积难熔薄膜
灵活的换靶装置便于实现多层膜及超晶格膜的生长
生长过程中可以原位引入多种气体，提高薄膜的质量 污染小 薄膜存在表面颗粒问题 缺点 很难进行大面积薄膜的均匀沉积
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PLD的机制
• 的系统设备简单，相反，它的原理却是非常复杂 的物理现象。它涉及高能量脉衝辐射衝击固体靶 时，激光与物质之间的所有物理相互作用，亦包 括等离子羽状物的形成，其后已熔化的物质通过 等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移，及 最后的膜生成过程。所以，一般可以分為以下四 个阶段： • 1. 激光辐射与靶的相互作用 • 2. 熔化物质的动态 • 3. 熔化物质在基片的沉积 • 4. 薄膜在基片表面的成核与生成
• 第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击 基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作 用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与 受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区 （碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成為凝结粒子 的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平 衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子/9 9
2.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
等离子体区 等离子体羽辉 轴向约束性
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