脉冲激光沉积技术PPT讲稿
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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
2019/1/19
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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ppt课件
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
9
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。
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
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
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）。
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
11
11
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。
2121
PLD中的重要实验参数
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。
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
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
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）。
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。
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PLD中的重要实验参数
脉冲沉积激光技术原理和应用
第四部分
脉冲沉积技术展望
制备有机发光器件在沉积 过程中加热可以减少一些
损失，提高效率
脉冲激光沉积在铁基超导 体上的应用
THANK YOU FOR TIEM
沉积系统实物图
光路系统实物图
脉冲激光沉积系统示意图
第三部分
脉冲激光沉积技术应用
脉冲沉积技术应用
半导体薄膜 铁电、压电和光电薄膜
高温超导薄膜 金刚石和类金刚石薄膜
生物陶瓷涂层
脉冲激光沉积技术简介
钙钛矿纳米材料的形成过程、形貌分类以及制备方法
图（a）为PLD方法制备的TbMnO3和Nb:SrTiO3层 状异质结。从异质结的侧截面可以看出，异质 结接触致密， TbMnO3层和Nb:SrTiO3层的厚度仅 为几个纳米。
激光烧蚀靶材表面的结构示意图
脉冲激光沉积技术简介
（2）等离子体的膨胀 等离子体膨胀是指高能激光脉冲溅 射产生的烧蚀物，离化为高温高密 度的等离子体后，大致经过等温和 绝热膨胀两个过程，从靶材表面输 运到衬底的过程
脉冲激光沉积技术简介
（3）到达衬底上的烧灼物，在衬底上的成膜阶段
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。 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。
PLD缺点
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。
第二部分
PLD的技术系统构造
PLD的技术系统构造
1 PLD系统装置
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 冷却系统）等组成。
激光脉冲技术PPT课件
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第14页/共111页
• 光与物质相互作用的经典理论分析
则
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谐振相互作用时，由于 ω02 ω2 2ω(ω0 ω) 8π 2ν(ν0 ν)
γ Δω 2πΔν ，于是有
χ(ν) Ne2
ν0 ν
8π 2mε0ν0 (ν0 ν)2 Δν / 22
x() e
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m (02 2 ) i
•简谐振子模型下，电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同，
•受迫振动与驱动光场之间存在相位差（式中含有 i 项）
由上述过程可知：
(可1)以当看出，若0 时不，考电虑子，先则吸x收(ω少)为量有光限能恒，值引，起电受子迫将振吸动收，的并能辐量射全次部波辐。射由出x(去ω)，表中达间式
• 1960年秋，美国 Javan等 1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。 • 1962年，美国 Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光
器。 • 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激
光器。 • 1966年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等 低温工作窄
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•简谐振子模型下，电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同，
•受迫振动与驱动光场之间存在相位差（式中含有 i 项）
由上述过程可知：
(可1)以当看出，若0 时不，考电虑子，先则吸x收(ω少)为量有光限能恒，值引，起电受子迫将振吸动收，的并能辐量射全次部波辐。射由出x(去ω)，表中达间式
• 1960年秋，美国 Javan等 1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。 • 1962年，美国 Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光
器。 • 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激
光器。 • 1966年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等 低温工作窄
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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。
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。
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。
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。
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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
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薄膜存在表面颗粒问题
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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)
• 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。
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。
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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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：
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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2.等离子体在空间的输运
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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(Hz.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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C 激光蒸发镀膜(laser ablation)装置
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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。
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
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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
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
激光能量，频率
影响沉积速率
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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)