脉冲激光沉积
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。
PLD
3.比较高的重复频率，提升溅射速度。
4.激光器使用简单，寿命长，易于维护（这一点Nd:YAG 固态激光器要好于准分子激光器）
三、激光脉冲沉积的优缺点
1.激光脉冲沉积的优点
一.应用PLD非常方便，过程中须要控制的参数只有几个，例如激光 能量通量与脉冲重复频率。 二.与其它溅镀技术相比，利用PLD技术的靶体积细小。借着连续溶 化混杂的靶，制造不同物质的多层膜，十分容易。 三.透过控制脉冲的数量，可以精密调节薄膜厚度至单原子层。 四.PLD最重要的特色，是沉积膜保留了靶的化学计量成分。这是由 于脉冲激光照射，使靶表面的加热速率极高所致。这个原因导致靶 的组分元素或化合物一致蒸发，无须理会个别的蒸发点。也由于溶 化物质的高加热速率，晶体膜的激光沉积比其它薄膜生成技术，要 求更低的衬底温度。因此，半导体与它下面的集成电路能够抑制热 降解。 五.由于激光光子能量很高，可溅射制备很多困难的镀层：如高温超 导薄膜，陶瓷氧化物薄膜，多层金属薄膜等； PLD可以用来合成纳 米管，纳米粉末等。
一、PLD的定义及历史
2.PLD的历史
1960年，激光首次出现。自此以后，激光受到多方面应用， 发展成为强效的工具。激光对物料加工的帮助，效果尤其 显著。激光具有许多独特的性质，例如狭窄的频率带宽、 相干性以及高能量密度。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，所以得到功能薄膜、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。最后提及的这个激光应用技术，就是 所谓的脉冲激光沉积（简称PLD）。
三、激光脉冲沉积的优缺点
1.激光脉冲沉积的缺点 一个是薄膜被溅污，或有微粒沉积在薄膜上。导 致溅污的物理机制包括：表面下的沸腾、冲击波 反冲压力造成的液态层喷溅，以及层离。微粒的 体积可能有几微米那么大。这些微粒非常阻碍随 后膜层的形成，亦大大影响薄膜的导电特性。 另一个是由于激光的绝热膨胀导致溶化核素分布 角度狭窄，在靶表面形成等离子羽状物及凹痕。 这些弊端削弱了PLD生产大面积均匀薄膜的用处， PLD因此未能在工业上大展身手。最近有人提出 了补救措施，插入障板能够有效阻挡大微粒，转 动靶与底物有助于形成较大的均匀薄膜。
脉冲激光沉积
发展前景
由脉冲激光沉积技术的原理、特点可知，它是一种极具发展潜力的薄膜制备技术。随着辅助设备和工艺的进 一步优化，将在半导体薄膜、超晶格、超导、生物涂层等功能薄膜的制备方面发挥重要的作用；并能加快薄膜生 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。同时也为新型薄膜的制备提供 了一种行之有效的方法。
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。
优点
1.易获得期望化学计量比的多组分薄膜，即具有良好的保成分性； 2.沉积速率高，试验周期短，衬底温度要求低，制备的薄膜均匀； 3.工艺参数任意调节，对靶材的种类没有限制； 4.发展潜力巨大，具有极大的兼容性； 5.便于清洁处理，可以制备多种薄膜材料。
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（nucleation）与生成
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冲宽度时，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。物质的瞬时熔化率 大大取决于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，与电子的激光沉积也存在以下有待解决的问题：（1 ）对相当多材料，沉积的薄膜中有 熔融小颗粒或靶材碎片，这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的，这些颗粒的存在大大降低了薄膜的质量，事 实上，这是PLD迫切需要解决的关键问题；（2 ）限于目前商品激光器的输出能量，尚未有实验证明激光法用于 大面积沉积的可行性，但这在原理上是可能的；（3 ）平均沉积速率较慢，随淀积材料不同，对1000平方毫米左 右沉积面积，每小时的沉积厚度约在几百纳米到1微米范围；（4 ）鉴于激光薄膜制备设备的成本和沉积规模， 目前看来它只适用于微电子技术、传感器技术、光学技术等高技术领域及新材料薄膜开发研制。随着大功率激光 器技术的进展，其生产性的应用是完全可能的。
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
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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)
8
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。
9
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
23
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
5.1 脉冲激光沉积概述
• PLD • 发展过程 • PLD的优点 • 待解决的问题
PLD
b
脉冲沉积系统一般由脉冲激光器，
光路系统（光阑扫描器，会聚透
镜，激光窗等），沉积系统（真
空室，抽真空泵电机冷
c
却系统）等组成。如图5-1所示。
a
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。
5.2 PLD的基本原理
• PLD是一种真空物理沉积方法，当一束强的脉冲激光照射 到靶材上时，靶表面材料就会被激光所加热、熔化、气化 直至变为等离子体，然后等离子体（通常是在气氛气体中 ）从靶向衬底传输，最后输运到衬底上的烧蚀物在衬底上 凝聚、成核至形成薄膜。
• 整个PLD过程可分为三个阶段： （1）激光与靶的作用阶段 （2）等离子体的膨胀 （3）到达衬底上的烧蚀物 在衬底上的成膜阶段。
图5-3 脉冲激
5.2.1 激光与靶的相互作用
当激光辐射在不透明的凝 聚态物质上被吸收时，被 照射表面的一个薄层被加 热，结果使表面温度升高 ，同时对物质的内层进行 热传导，使被加热层的厚 度增加。由于热传导引起 的热输运随时间而减慢， 因此热传导不能使足够的
图5-5 激光烧蚀靶材表 等离子体是面由大的量自结由构电子示和离意子图及少（量未2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。
5.2.2 等离子体膨胀
等离子体膨胀过程是指高能激光脉冲溅射产生的烧蚀物， 离化为高温高密的等离子体后，大致经历等温和绝热膨胀两 个过程，从靶材表面输运到衬底的过程。
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5.1 脉冲激光沉积概述
PLD 发展过程 PLD的优点 待解决的问题
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PLD
b
脉冲沉积系统一般由脉冲激光器，
光路系统（光阑扫描器，会聚透
镜，激光窗等），沉积系统（真
空室，抽真空泵，充气系统，靶
材，基片加热器），辅助设备
（测控装置，监控装置，电机冷
c
却系统）等组成。如图5-1所示。
a
图5-1 脉冲激光沉积系统示意图（a）与光路系统（b）、沉积系统实物图（c） 5
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5.2.2 等离子体膨胀
等离子体膨胀过程是指高能激光脉冲溅射产生的烧蚀物， 离化为高温高密的等离子体后，大致经历等温和绝热膨胀两 个过程，从靶材表面输运到衬底的过程。
图5-6 等离子体羽辉外形随时间的演化
脉冲 宽度
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温度随时间演化规律 13
等离子体在空间的输运
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。
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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
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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
PLD是一种真空物理沉积方法，当一束强的脉冲激光照射到 靶材上时，靶表面材料就会被激光所加热、熔化、气化直 至变为等离子体，然后等离子体（通常是在气氛气体中） 从靶向衬底传输，最后输运到衬底上的烧蚀物在衬底上凝 聚、成核至形成薄膜。
图5-2 典型的PLD示意图
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发展过程
1960年，世界上第一台红宝石激光器问世不久，就产生了激 光镀膜的概念，也开始了激光与物质相互作用的研究。
1965年，第一次用红宝石激光沉积光学薄膜，取得一定的成 功，但是效果并不理想。总有较多的微滴，影响薄膜质量。
20世纪70年代中期。电子Q开关的应用，短脉冲激光应运而 生，使PLD技术取得较大进展。
致表面和表面附近的物质温度持续上升，直到蒸发开始，在 PLD常用的功率密度下，蒸气的温度可以很高，足够使相当多 的原子被激发和离化，于是蒸气开始吸收激光辐射，导致在靶 表面出现等离子体。最终结果是在靶表面附近形成复杂的层状 结构，如图5-4所示
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图5-5 激光烧蚀靶材表面的结构示意图（2）
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。
图5-8 成膜过程 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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解决方案
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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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。
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。
典型的PLD装置如图5-2所示。一束激光经透镜聚焦后投射 到靶上，使被照射区域的物质烧蚀，烧蚀物择优沿着靶的法 线方向传输，形成一个看起来象羽毛状的发光团──羽辉，最 后烧蚀物沉积到前方的衬底上形成一层薄膜。
在沉积的过程中，通常在真空腔中充入一定压强的某种气 体，如淀积氧化物时往往充入氧气，以改善薄膜的性能。
整个PLD过程可分为三个阶段： （1）激光与靶的作用阶段 （2）等离子体的膨胀 （3）到达衬底上的烧蚀物 在衬底上的成膜阶段。
图5-3 脉冲激光沉积装置图 10
5.2.1 激光与靶的相互作用
当激光辐射在不透明的凝 聚态物质上被吸收时，被 照射表面的一个薄层被加 热，结果使表面温度升高， 同时对物质的内层进行热 传导，使被加热层的厚度 增加。由于热传导引起的 热输运随时间而减慢，因 此热传导不能使足够的热 图5-4 激光烧蚀靶材表面的结构示意图（1） 量进入物质内部，这将导
Chapter 5
脉冲激光沉积 Pulsed Laser Deposition (PLD)
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。