脉冲激光沉积技术ppt课件
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脉冲激光沉积
沉积气压的影响
沉积气压主要影响消融产物飞向衬底这一过程，其对沉积薄膜的影响分为两类： 1)环境气压不参与反应时，气压主要影响消融粒子内能和平均动能，从而影响沉 积速率； 2)环境气压参与反应时，气压不仅影响薄膜的沉积速率，更重要的是会影响薄膜 成分结构． 环境气体与从靶材中溅射出的等离子体发生碰撞，将离子到达衬底表面的动能降 低．当气压较低时，激光融蚀靶材产生的等离子体中粒子受到较少碰撞，当 它们到达衬底时，动能太大，会导致薄膜晶格位置偏移，且前面的膜层还没 来得及调整自己在择优方向生长就被后续原子所覆盖固化，降低薄膜质 量．当气压较高时，等离子体中粒子与环境气体碰撞增加，等离子体到达衬 底表面时动能太小，其在衬底表面迁移扩散能力降低，也会使薄膜晶体质量 下降，缺陷增多甚至变为非晶．
待解决的问题
1）不易于制备大面积的膜。 2）在薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物污染，所制备薄膜的均匀 性较差。 3）某些材料靶膜成分并不一致。对于多组元化合物薄膜，如果某些种阳 离子具有较高的蒸气压，则在高温下无法保证薄膜的等化学计量比生 长。
2.脉冲激光沉积原理
• 激光与靶材的相互作用 • 等离子体的膨胀 • 衬底上沉积成膜
衬底对薄膜质量的影响
在PLD制备薄膜的过程中，对于衬底基片的要求非常高，很大程度上决定 了薄膜是否符合要求，目前国内外对衬底基片的研究非常多，主要是 基片的类型、基片温度．用PLD制备的薄膜有超导膜、半导体膜、铁 电膜、压电膜等，这些膜大都各向异性，为得到符合要求性能的薄膜， 必须保证膜晶粒取向择优生长，因此肿过程中要求基片与膜的晶格常 数匹配、物理性能(热膨胀系数，热传导系数)匹配．衬底基片温度大 小及均匀性对薄膜结构、生长速率有影响．基片温度不同，膜的晶粒 取向就会不一样．基片温度较低时，粒子在基片表面的迁移扩散能力 低，会阻止原子的重新排列．基片温度过高，会引起膜的再蒸发，从 而降低沉积速率．目前对于衬底温度的选择尚无系统理论指导，只能 通过反复实验，从而确定最佳温度值．沉积zno薄膜时，不同衬底上 得到最优结晶性能时的衬底温度和退火温度各不同
脉冲激光沉积技术
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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。
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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
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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。
Байду номын сангаас
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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。
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∶
脉冲激光沉积薄膜PPT讲稿
Quartz Tube (1)靶材的汽化和等离子 体的产生。
(2)等离子体定向局域等 温绝热膨胀发射。
target
MgO Nanowires
(3)等离子体与衬底相互 作用,在衬底上沉积而 形成薄膜。
Laser Beam
脉冲激光沉积示意图
影响薄膜质量的因素
• 激光对薄膜质量的影响 • 环境压强和气氛种类的影响 • 衬底到靶的距离(D) • 沉积温度、种类及表面光洁度 • 掺杂 • 退火条件的选择
分析：2θ=34°处的 峰是仪器分辨率范围内 唯一的峰，其半高宽 0.85°，表明所制备 的ZnO薄膜C轴取向高 度一致，薄膜质量较好。 由于ZnO 晶粒（002） 晶面最密排且表面能量 密度最低，因而ZnO薄 膜沿Ｚ轴择优取向长， 其它晶面的生长受到了 抑制。
FTIR分析
分析；存在三个明显的吸 收峰． １）峰为Si—O 键的非对 称伸缩振动吸收，为SiO2 中的Si—O 键 ２）属于硅晶格中的替位 碳的振动吸收 ３）对应Zn—O 键的红外 光谱的特征吸收峰
PLD 的基本原理及物理过程
• 脉冲激光沉积技术就是将脉冲激光器产生
的高功率脉冲激光束聚焦后作用于靶材表 面,瞬间产生高温高压等离子体( T ≥104 K) , 等离子体定向局域绝热膨胀发射并在衬底 上沉积而形成薄膜．
PLD原理图
参考陈老师PPT
脉冲激光沉积示意图Tube Nhomakorabeaurnace
主要分为3 个过程:
激光辐射40min前后靶材的质量损失通过称量确定。
AFM images for films of equivalent thickness
(a) 0.5 nm
(b) 2.5 nm
(c) 4 nm Au on Si
(2)等离子体定向局域等 温绝热膨胀发射。
target
MgO Nanowires
(3)等离子体与衬底相互 作用,在衬底上沉积而 形成薄膜。
Laser Beam
脉冲激光沉积示意图
影响薄膜质量的因素
• 激光对薄膜质量的影响 • 环境压强和气氛种类的影响 • 衬底到靶的距离(D) • 沉积温度、种类及表面光洁度 • 掺杂 • 退火条件的选择
分析：2θ=34°处的 峰是仪器分辨率范围内 唯一的峰，其半高宽 0.85°，表明所制备 的ZnO薄膜C轴取向高 度一致，薄膜质量较好。 由于ZnO 晶粒（002） 晶面最密排且表面能量 密度最低，因而ZnO薄 膜沿Ｚ轴择优取向长， 其它晶面的生长受到了 抑制。
FTIR分析
分析；存在三个明显的吸 收峰． １）峰为Si—O 键的非对 称伸缩振动吸收，为SiO2 中的Si—O 键 ２）属于硅晶格中的替位 碳的振动吸收 ３）对应Zn—O 键的红外 光谱的特征吸收峰
PLD 的基本原理及物理过程
• 脉冲激光沉积技术就是将脉冲激光器产生
的高功率脉冲激光束聚焦后作用于靶材表 面,瞬间产生高温高压等离子体( T ≥104 K) , 等离子体定向局域绝热膨胀发射并在衬底 上沉积而形成薄膜．
PLD原理图
参考陈老师PPT
脉冲激光沉积示意图Tube Nhomakorabeaurnace
主要分为3 个过程:
激光辐射40min前后靶材的质量损失通过称量确定。
AFM images for films of equivalent thickness
(a) 0.5 nm
(b) 2.5 nm
(c) 4 nm Au on Si
脉冲激光沉积PPT课件
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5.2.3 烧蚀粒子在衬底上的沉积
烧蚀粒子在空间经过一段时间的运动到达衬底表面，然 后在衬底上成核、长大形成薄膜。为了利，其一是从靶材表面喷射出的高速运动粒子对 已成膜的反溅射作用，其二是易挥发元素的挥发损失，其三 是液滴的存在导致薄膜上产生颗粒物。
• (3) 生长过程中可原位引入多种气体，可以在反应气氛中 制膜，这为控制薄膜组分提供了另一条途径
• (4) 多靶材组件变换灵便，容易制备多层膜及异质结 • (5) 工艺简单，灵活性大，可制备的薄膜种类多 • (6) 可用激光对薄膜进行多种处理等
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待解决的问题
• (1) 不易于制备大面积的膜。 • (2) 在薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物污染，所制
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解决方案
•使用高致密度的靶材，同时选用靶材吸收高的激光波长。因
Chapter 5
脉冲激光沉积 Pulsed Laser Deposition (PLD)
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化学气相沉积
脉冲激光沉积
分子束外延
薄膜制备方法
溅射
溶胶凝胶法
超声喷雾热解
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脉冲激光沉积
5.1 脉冲激光沉积概述 5.2 PLD的基本原理 5.3 颗粒物的抑制 5.4 PLD技术的主要应用
• 脉冲激光沉积（pulsed laser deposition，简称 PLD）法制备薄膜，将脉冲激光器产生的高功率 脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及 烧蚀，并进一步产生高温高压等离子（ T>104K）， 等离子体定向局域膨胀在衬底上沉积成膜。
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图5-3 脉冲激光沉积装置图 10
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5.2.1 激光与靶的相互作用
脉冲激光沉积技术PPT讲稿
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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
脉冲激光沉积技术课件
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化学气相沉积 直流溅射
分子束外延
超声喷雾热 解
薄膜制备方法
脉冲激光沉积
溶胶凝胶法
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脉冲激光沉积的实验仪器图
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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。
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
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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
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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
脉冲激光沉积技术ppt
多元素材料制备
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
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。
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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》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。
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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。
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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。
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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。
脉冲激光沉积薄膜课件
FTIR分析
分析；存在三个明显的吸 收峰． １）峰为Si—O 键的非对 称伸缩振动吸收，为SiO2 中的Si—O 键 ２）属于硅晶格中的替位 碳的振动吸收 ３）对应Zn—O 键的红外 光谱的特征吸收峰
由于ZnO 薄膜的生长过程 中采用了400℃的衬底温 度，提高了Zn原子和O 原 子在衬底表面的迁移率进 而提高了ZnO薄膜的结晶 质量，使得ZnO 的吸收峰 非常尖锐．
[4] E. Cappellia,*, C. Scillettaa, S. Orlando Thin Solid Films 482 (2005) 305– 310 [5] 何建廷等，PLD 法生长硅基ZnO 薄膜的特性，电子元件与材料．2005.5
PLD 的基本原理及物理过程
脉冲激光沉积技术就是将脉冲激光器产生 的高功率脉冲激光束聚焦后作用于靶材表 面,瞬间产生高温高压等离子体( T ≥104 K) , 等离子体定向局域绝热膨胀发射并在衬底 上沉积而形成薄膜．
PLD原理图
参考陈老师PPT
脉冲激光沉积示意图
Tube Furnace
主要分为3 个过程:
Dual-beam PLD
解决大面积沉积膜厚不 均的问题
因为等离子体羽的方向 接近于靶的法线方向，通 过一聚焦的激光束扫射圆 柱形靶，可以把等离子体 羽拉长。 合适的等离子体 羽和基板的相对运动就可 以得到适当厚度的薄膜。
Combination of large area PLD (left) and magnetron sputter deposition (right)
SEM 和SAED分析
分析：SEM 和SAED 表明薄膜表面平整致 密，晶粒大小分布比 较均匀，制备的ZnO 薄膜为具有六方纤锌 矿结构的单晶薄膜。
脉冲激光沉积
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PLD的优点
• (1) 采用高光子能量和高能量密度的紫外脉冲激光作为产 生等离子体的能源，因而无污染又易于控制 • (2) 烧蚀物粒子能量高，可精确控制化学计量，实现靶膜 成分接近一致，简化了控制膜组分的工作，特别适合制备 具有复杂成分和高熔点的薄膜 • (3) 生长过程中可原位引入多种气体，可以在反应气氛中 制膜，这为控制薄膜组分提供了另一条途径 • (4) 多靶材组件变换灵便，容易制备多层膜及异质结 • (5) 工艺简单，灵活性大，可制备的薄膜种类多 • (6) 可用激光对薄膜进行多种处理等
脉冲 宽度 图5-6 等离子体羽辉外形随时间的演化 激光作用结束后
激光作用时间 图5-7 等离子体膨胀过程中间的输运
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)
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待解决的问题
• (1) 不易于制备大面积的膜。 • (2) 在薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物污染，所制 备薄膜的均匀性较差。 • (3) 某些材料靶膜成分并不一致。对于多组元化合物薄膜， 如果某些种阳离子具有较高的蒸气压，则在高温下无法保 证薄膜的等化学计量比生长。
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5.2 PLD的基本原理
抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa）
开加热装臵，通气体 导入激光进行镀膜 关闭仪器
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The end
• 使用高致密度的靶材，同时选用靶材吸收高的激光波长。
因为液滴产生的情况在激光渗入靶材越深时越严重。靶材对激光的吸 收系数越大，则作为液滴喷射源的熔融层越薄，产生的液滴密度越低。
• 通过基于速率不同的机械屏蔽技术来减少颗粒物（由于 PLD产生的颗粒物的速率要比原子、分子的速率低一个数量级）。
脉冲激光沉积技术参考课件
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。
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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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：
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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
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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。
脉冲激光沉积ppt课件
Chapter 5
脉冲激光沉积 Pulsed Laser Deposition (PLD)
可编辑课件
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化学气相沉积
脉冲激光沉积
分子束外延
薄膜制备方法
溅射
溶胶凝胶法
可编辑课件
超声喷雾热解
2
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脉冲激光沉积
5.1 脉冲激光沉积概述 5.2 PLD的基本原理 5.3 颗粒物的抑制 5.4 PLD技术的主要应用
• 1987年，美国贝尔实验室的Dijkkamp等首次成功制备出 高温超导薄膜YBa2Cu3O7-X（钇钡铜氧）薄膜。从而使 PLD技术迅速发展。
可编辑课件
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PLD的优点
• (1) 采用高光子能量和高能量密度的紫外脉冲激光作为产 生等离子体的能源，因而无污染又易于控制
• (2) 烧蚀物粒子能量高，可精确控制化学计量，实现靶膜 成分接近一致，简化了控制膜组分的工作，特别适合制备 具有复杂成分和高熔点的薄膜
可编辑课件
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解决方案
•采用降低颗粒物污染的沉积技术 1）双光束激光沉积技术，采用两个激光器或通过对一束激 光进行分光得到两束激光，沉积时先让一束光使靶材表面局 部熔化，然后让另一束光照射熔区使之转变为等离子体，从 而减少液滴的产生。 2）交叉束沉积技术，让两束激光从不同角度同时照射到各 自靶材上，各自轰击出的烧蚀物质在一定区域内交叉并相互 作用，通过附加一个光阑，可以产生一个没有颗粒物的区域， 将衬底置于该区域内，即可获得无颗粒物污染的优质薄膜。 •实用新型的超快脉冲激光器
可编辑课件
图5-8 成膜过程 15 15
5.3 颗粒物的抑制
在5.1一节中提到，颗粒物是限制PLD技术获得广泛应用 的主要因素之一，是PLD技术得以商业化应用迫切需要解决 的难题。颗粒物的大小和多少强烈依赖于沉积参数，如激光 波长、激光能量、脉冲重复频率、衬底温度、气氛种类与压 强以及衬底与靶材的距离等。
脉冲激光沉积 Pulsed Laser Deposition (PLD)
可编辑课件
1
化学气相沉积
脉冲激光沉积
分子束外延
薄膜制备方法
溅射
溶胶凝胶法
可编辑课件
超声喷雾热解
2
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脉冲激光沉积
5.1 脉冲激光沉积概述 5.2 PLD的基本原理 5.3 颗粒物的抑制 5.4 PLD技术的主要应用
• 1987年，美国贝尔实验室的Dijkkamp等首次成功制备出 高温超导薄膜YBa2Cu3O7-X（钇钡铜氧）薄膜。从而使 PLD技术迅速发展。
可编辑课件
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PLD的优点
• (1) 采用高光子能量和高能量密度的紫外脉冲激光作为产 生等离子体的能源，因而无污染又易于控制
• (2) 烧蚀物粒子能量高，可精确控制化学计量，实现靶膜 成分接近一致，简化了控制膜组分的工作，特别适合制备 具有复杂成分和高熔点的薄膜
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解决方案
•采用降低颗粒物污染的沉积技术 1）双光束激光沉积技术，采用两个激光器或通过对一束激 光进行分光得到两束激光，沉积时先让一束光使靶材表面局 部熔化，然后让另一束光照射熔区使之转变为等离子体，从 而减少液滴的产生。 2）交叉束沉积技术，让两束激光从不同角度同时照射到各 自靶材上，各自轰击出的烧蚀物质在一定区域内交叉并相互 作用，通过附加一个光阑，可以产生一个没有颗粒物的区域， 将衬底置于该区域内，即可获得无颗粒物污染的优质薄膜。 •实用新型的超快脉冲激光器
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图5-8 成膜过程 15 15
5.3 颗粒物的抑制
在5.1一节中提到，颗粒物是限制PLD技术获得广泛应用 的主要因素之一，是PLD技术得以商业化应用迫切需要解决 的难题。颗粒物的大小和多少强烈依赖于沉积参数，如激光 波长、激光能量、脉冲重复频率、衬底温度、气氛种类与压 强以及衬底与靶材的距离等。
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激光能量，频率
影响沉积速率
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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
• 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
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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。
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Laser Ablation薄膜 沉积装置
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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：
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SUCCESS
THANK YOU
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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
化学气相沉积 直流溅射
分子束外延
超声喷雾热 解
薄膜制备方法
脉冲激光沉积
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溶胶凝胶法
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脉冲激光沉积的实验仪器图
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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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关闭仪器
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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。
(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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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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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
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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。
缺点
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薄膜存在表面颗粒问题
基片靶材旋转法
很难进行大面积薄膜的均匀沉积
激光束运动
新方法：激光分子束外延 13
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Fra bibliotek氧气的压力
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
沉积时间
影响薄膜的厚度
基体与靶的距离
影响薄膜的均匀性
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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。