脉冲激光沉积薄膜PPT讲稿
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薄膜沉积物理方法超强总结PPT课件
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溅射沉积法
➢优点 (与蒸发技术相比)：
1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料，特 别是高熔点材料 (如：石墨、Ti、W、Mo 等)；
2、由于沉积原子能量较高，薄膜组织均匀 致密，与基片的结合力较高；
3、制备合金薄膜时，成分控制容易保证； 4、利用反应溅射技术，容易实现化合物薄
膜沉积； 5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确，
第28页/共48页
溅 4、射磁三控沉、溅磁积射控的法溅优射势装分置析及：特性
磁约束 电子运动路径 其与气体分子的碰撞几率 绝大部分二次电子的高动能被用于气体的电离
气体离化率 正离子产率 溅射速率几个数量级！ ！注意：这就是磁控溅射可在低压下获得极高的离化率、很高的
离子电流密度和沉积速率的原因。
工艺重复性好； 6、沉积原子能量较高，还可以改善薄膜对
复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜的表 面粗糙度。
➢主要缺点：
1、沉积速率不高； 2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用，
不 但 可 引 起 基 片 温 升 ， 而 且 可 能第形17页成/共内4部8页
溅射沉积法
➢分类：
直流溅射三传极统二/四极极溅溅射射
溅射沉积法
一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能通过与高能入射 离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。
➢基本过程：
a, 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气
体Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子
按电极特性不同，可分为：
磁控溅射
射频溅射
❖ 按靶材性质不同，可分为：射直频流溅溅射射－－靶靶材材为为绝金缘属体或或半半金导属体导体
溅射沉积法
➢优点 (与蒸发技术相比)：
1、可溅射沉积任何能做成靶材的材料，特 别是高熔点材料 (如：石墨、Ti、W、Mo 等)；
2、由于沉积原子能量较高，薄膜组织均匀 致密，与基片的结合力较高；
3、制备合金薄膜时，成分控制容易保证； 4、利用反应溅射技术，容易实现化合物薄
膜沉积； 5、薄膜的物相成分、梯度、膜厚控制精确，
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溅 4、射磁三控沉、溅磁积射控的法溅优射势装分置析及：特性
磁约束 电子运动路径 其与气体分子的碰撞几率 绝大部分二次电子的高动能被用于气体的电离
气体离化率 正离子产率 溅射速率几个数量级！ ！注意：这就是磁控溅射可在低压下获得极高的离化率、很高的
离子电流密度和沉积速率的原因。
工艺重复性好； 6、沉积原子能量较高，还可以改善薄膜对
复杂形状表面的覆盖能力，降低薄膜的表 面粗糙度。
➢主要缺点：
1、沉积速率不高； 2、等离子体对基片存在辐射、轰击作用，
不 但 可 引 起 基 片 温 升 ， 而 且 可 能第形17页成/共内4部8页
溅射沉积法
➢分类：
直流溅射三传极统二/四极极溅溅射射
溅射沉积法
一定温度下，固体或液体受到高能离子轰击时，其中的原子有可能通过与高能入射 离子的碰撞获得足够能量而从表面逃逸，这种从物质表面发射原子的方式被称为溅射。
➢基本过程：
a, 自由电子被电场加速飞向阳极,与路遇的放电气体 (通常是惰性气
体Ar气) 碰撞，使之失去外层电子而电离，并释放出Ar+和自由电子
按电极特性不同，可分为：
磁控溅射
射频溅射
❖ 按靶材性质不同，可分为：射直频流溅溅射射－－靶靶材材为为绝金缘属体或或半半金导属体导体
半导体薄膜ppt课件
首先激光能量密度要超过一定的阈值才能使靶材消融溅射，这是因为激 光能量密度必须大到使靶表面出现等离子体，从而在靶表面出现复杂的 层状结构knusen层，这是保证靶膜成分一致的根本原因，当入射激光能 量较低时，大部分原子扩散能力低，凝聚生长形成的晶粒较小，但当入 射激光能量过大，激光轰击靶材形成粒子喷溅的同时，飞向衬底的较大 粒子团簇没能完全迁移扩散就会凝结成膜，使结晶质量下降．采用波长 为248 mn的准分子激光制备GaN膜时，在沉积气压为20 Pa，沉积温度为 700℃条件下，可以测得激光强度为220mJ／Pulse时，生长出的薄膜具有 较好的表面．
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3.2 脉冲激光沉积原理
激光与靶材的相互作用 烧蚀物的传输 衬底上沉积成膜
7
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激光与物质的相互作用
A. 固态靶 B. 熔化的液态层 C. 气态 和等离子体层 D. 膨胀后的等离子体
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8。
1987年，美国贝尔实验室首次成功制备出高温超导薄膜 YBa2Cu3O7,采用的就是PLD技术。从而使PLD技术迅速发展。
5
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优点： 1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高
缺点： 1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致
烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发生气相 化学反应
显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内
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衬底上沉积成膜
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3.2 脉冲激光沉积原理
激光与靶材的相互作用 烧蚀物的传输 衬底上沉积成膜
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激光与物质的相互作用
A. 固态靶 B. 熔化的液态层 C. 气态 和等离子体层 D. 膨胀后的等离子体
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8。
1987年，美国贝尔实验室首次成功制备出高温超导薄膜 YBa2Cu3O7,采用的就是PLD技术。从而使PLD技术迅速发展。
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优点： 1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高
缺点： 1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致
烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发生气相 化学反应
显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内
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衬底上沉积成膜
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
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
2
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
7
7
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
17
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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
2
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。
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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。
薄膜的沉积技术汇总PPT教学课件
2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子 不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As原子自身也不再倾向 于与其他原子发生键合。这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积 过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力 图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模 式会由层状模式向岛状模式转变。
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7
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合，即被沉 积物质与衬底之间浸润性很好，因此，薄膜从形核阶 段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。
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8
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛
7.5.1 离子束溅射沉积（IBSD）
有两个独立的离子束源（双离子束沉积）：一个离 子束源射向靶产生溅射材料，持续薄膜的沉积；另 一个聚焦于基片提供辅助离子，帮助形成较好的膜 特性。
7.5.2 离子束辅助沉积（IBAD）：在气相沉积的同时， 进行离子束轰击混合以改善薄膜性能的方法。
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7.6 脉冲激光沉积（激光烧蚀）：
工作原理：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来 的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
PLD一般可以分为以下四个阶段： 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（nucleation）与生成
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2、薄膜生长阶段
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力 图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模 式会由层状模式向岛状模式转变。
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2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合，即被沉 积物质与衬底之间浸润性很好，因此，薄膜从形核阶 段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。
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3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛
7.5.1 离子束溅射沉积（IBSD）
有两个独立的离子束源（双离子束沉积）：一个离 子束源射向靶产生溅射材料，持续薄膜的沉积；另 一个聚焦于基片提供辅助离子，帮助形成较好的膜 特性。
7.5.2 离子束辅助沉积（IBAD）：在气相沉积的同时， 进行离子束轰击混合以改善薄膜性能的方法。
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7.6 脉冲激光沉积（激光烧蚀）：
工作原理：是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来 的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。
PLD一般可以分为以下四个阶段： 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（nucleation）与生成
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2、薄膜生长阶段
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。
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。
激光能量对脉冲激光沉积法制备ZnO薄膜性能的影晌头讲解
向K度歐向⑴.&*%««* 4S0 mJ时26・ 34. <6-fttt （ooi）Wtt<>«<»*aiUI4v.这层因为.时・《MUfc杪血«13»化« 化JI至豪为好冑于体的遂■也增如•与氏性IUA合A«W«上沉枳的It 子PI JUUK 腿R越彊的生长越克善•快峪也&少・上述«M« 9h・JUB■为4S0 ml 帜的zoons^MtiKw.fi y•豪m不動•尢・*ZaQJ9■片XRD图3.2 BJCttlrt ZnOSflCVft的M・昭4 为si 孩怵分120 tnme御的ZnO紳龍的斥浚・从圏中吋以希岀卸凶厚匪孱本稲”徽尢tftflt的农IE命用All・3JKHAMWS由谏和»光财花材的加怡•焙化•代化U 車变为♦离子体・図京在基体上aw.awffJA的.的AHI也的EF也MM.Wtt当外界的慣况下柏同时间内沉积的“薦也总厚•3.3■［先tttnZnOSH发龙性耀的血痢ZnO主耍有三个咒救发克并带网山的nm左右IMT外■边发射峰.510 nm庄右的绿色发财和CSOm左右的红ft&M.・進认片徐色处射和红色发片与Z«O M搐中的O 空位Zn寓子帝关【"】•些月MBE"方准生长的外BL 帳由TMM 构決陪的杲舛保能圾第覆IHlTffi •籽必在*外区的XWA主号地<4•衣明笹何感迁占主导Jfitt. « 5为Si ■体上不Flit尢縄■下51枳的ZnO9HH PLIfl.M以*出"和b i3&制只有一个位于〜380 5处的UHIBL粒有观唤刃的炭BEMtat射.c ■tt・T~3M>nm处的缘之外•在4】0〜5M m 他BB內还出曳了一个宽外・策外蜂備渥戌《|幕空光HE的MhD<M5DmJ 时布刪H增加• -380 ran ft 的貳外峰对应子ZnO«*H（3. 37<V）K迁发光■ （£ 410-580 wn范EH内絞宦的弱耳（~“0 nm if 应于«Jt.-S80 “tn对应于負光刀农明幡品申會有少2値空检和快診・为150和300 mJM合康的ZnO MIS叩含K空位和缺航较少•》）«（光«fi*45O mJ計合成的ZnO脚肢中含音较參氯空仪*1快■【"】• HHS为光能!# 增加叶•杞tURMflB魚•熔化•代化立至变为等蔑子体的■車"•血• ttM RMnftftfFTIFK^ 宛枳在拥底上的ifi事也HI之増加•杠览过恵中与帑上旷敵的时何也和应减少•因itns中所含的霞住位"快陷梦之墙抑.当ttJttt fit为450 mJ时•〜3B0 s怂的峰较ll.Si萬侔上的萍負具有枚般的发”性a.w^的K空位和缺为5<・娥川址缎冷施敌光（KfhMS出的曲U M■会会含御宜乡的才町以说明・3.4激光屋■对过奉的审厲S 6为光*■下说机的ZnO ■股的透射w.^uwa：不冏曲尤健・下生长的ZnO礴91在MO nm-380 nm童外技股范帼完全不进允・他nm-400 nm化•由0臭离列75%以上.在400 nm-900 nm可兄允施&&BI內的堆竝車4<1刖11的变化Q妙•垮大于為％的・上述结果农明,■变化対1*噥的»«♦«有产生明显妙响・*4«9芳*培丸H量片协冲徽丸况仮*创•ZnQfHtt的审“7274结论tii.gf述•段fi可门福出如下结论：本文遇过PLD法在敞晶it稲石英現圳却科讨底衣Itt上制备出绊按AK002）方向岛度JR向的ZnOWN・■尢■ 初能•从iw够响nnntftmn社血。
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。
2019/12/26
5
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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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)
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。
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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
Optical absorption of 0.5 nm, 2.5 nm, 3 nm and 4 nm Au on Al2O3.
参考文献
[1] Bo Lei, Song Han, Chao Li, Daihua Zhang, Zuqin Liu and Chongwu Zhou Nanotechnology 18 (2007) 044019 (8pp)
[2] T. Donnelly , S. Krishnamurthy, K. Carney, N. McEvoy, J.G. Lunney Applied Surface Science 254 (2007) 1303–1306
400℃后，充入0.13Pa 的高纯氧（99.999%）
实验过程
• 用聚焦的脉冲激光束通过成膜室的光学窗，
与靶面成45°的方向烧蚀ZnO 靶。沉积时 间15 min。待样品降至室温，取出样品， 用称重法测出薄厚约为99 nm。
实验表征
• XRD分析
• FTIR 分析
• SEM 和TEM分析
XRD 分析
[3] R. Dietscha,*, Th. Holza, D. Weißbacha, R. ScholzApplied Surface Science 197– 198 (2002) 169–174
[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
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)
PLD 法生长硅基ZnO 薄膜
• 激光器Nd：YAG脉冲激光器，输出波1064nm，单
脉冲能量208mJ，击中靶的光斑面积为0.43mm2， 产生48mJ/cm2的能量密度，重复频率10Hz，脉宽 10ns。
• 靶材：烧结高纯ZnO（99.99%）固体靶 • 系统真空：抽至1.2×10–4Pa，加热衬底温度至
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．
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。
PLD of nanoparticle films of Au
• Nd:YAG激光器:波长1064nm．20Hz，脉冲长度6 ns，
真空室压力5 × 10-5 mbar.
• Si衬底距靶材9cm。平面朗格缪尔离子探针5mm2，偏
压-30V，距靶材8cm。
• 一个石英晶体检测器用来测量沉积材料的平均厚度。
脉冲激光沉积薄膜课件
引言
• 脉冲激光沉积( PLD) 技术是20 世纪60 年代出现的一门新
兴的薄膜制备技术。1965 年Smith 等进行了激光制膜的 研究。
• 脉冲激光沉积技术是制备薄膜一种重要的方法,在有机薄
膜、有机-无机杂化薄膜以及多层有机薄膜的制备方面有 其独特的优势。近年来,国内外开展了一些有机薄膜脉冲 激光沉积的研究工作,并对该技术进行了发展和改进.
• 近年来,人们将脉冲激光技术和有机薄膜的制备结合起来,
开展了一系列有机薄膜和生物材料薄膜的脉冲激光沉积研 究,并取得了不错的成果。
PLD 的特点和优势
• 可以蒸发金属、半导体、陶瓷、金属氧化
物等高温难熔无机材料制膜。
• 可以制备有机薄膜以及复杂成分的无机薄
膜。
• 能够保持聚合物与有机分子结构的完整性。 • 在较低温度下原位实现薄膜的生长。 • 能够制备高质量的纳米薄膜。 • 适用范围广、设备简单、易于操作。
(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
Optical absorption of 0.5 nm, 2.5 nm, 3 nm and 4 nm Au on Al2O3.
参考文献
[1] Bo Lei, Song Han, Chao Li, Daihua Zhang, Zuqin Liu and Chongwu Zhou Nanotechnology 18 (2007) 044019 (8pp)
[2] T. Donnelly , S. Krishnamurthy, K. Carney, N. McEvoy, J.G. Lunney Applied Surface Science 254 (2007) 1303–1306
400℃后，充入0.13Pa 的高纯氧（99.999%）
实验过程
• 用聚焦的脉冲激光束通过成膜室的光学窗，
与靶面成45°的方向烧蚀ZnO 靶。沉积时 间15 min。待样品降至室温，取出样品， 用称重法测出薄厚约为99 nm。
实验表征
• XRD分析
• FTIR 分析
• SEM 和TEM分析
XRD 分析
[3] R. Dietscha,*, Th. Holza, D. Weißbacha, R. ScholzApplied Surface Science 197– 198 (2002) 169–174
[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
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)
PLD 法生长硅基ZnO 薄膜
• 激光器Nd：YAG脉冲激光器，输出波1064nm，单
脉冲能量208mJ，击中靶的光斑面积为0.43mm2， 产生48mJ/cm2的能量密度，重复频率10Hz，脉宽 10ns。
• 靶材：烧结高纯ZnO（99.99%）固体靶 • 系统真空：抽至1.2×10–4Pa，加热衬底温度至
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．
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。
PLD of nanoparticle films of Au
• Nd:YAG激光器:波长1064nm．20Hz，脉冲长度6 ns，
真空室压力5 × 10-5 mbar.
• Si衬底距靶材9cm。平面朗格缪尔离子探针5mm2，偏
压-30V，距靶材8cm。
• 一个石英晶体检测器用来测量沉积材料的平均厚度。
脉冲激光沉积薄膜课件
引言
• 脉冲激光沉积( PLD) 技术是20 世纪60 年代出现的一门新
兴的薄膜制备技术。1965 年Smith 等进行了激光制膜的 研究。
• 脉冲激光沉积技术是制备薄膜一种重要的方法,在有机薄
膜、有机-无机杂化薄膜以及多层有机薄膜的制备方面有 其独特的优势。近年来,国内外开展了一些有机薄膜脉冲 激光沉积的研究工作,并对该技术进行了发展和改进.
• 近年来,人们将脉冲激光技术和有机薄膜的制备结合起来,
开展了一系列有机薄膜和生物材料薄膜的脉冲激光沉积研 究,并取得了不错的成果。
PLD 的特点和优势
• 可以蒸发金属、半导体、陶瓷、金属氧化
物等高温难熔无机材料制膜。
• 可以制备有机薄膜以及复杂成分的无机薄
膜。
• 能够保持聚合物与有机分子结构的完整性。 • 在较低温度下原位实现薄膜的生长。 • 能够制备高质量的纳米薄膜。 • 适用范围广、设备简单、易于操作。