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。
参考文献
[1] Bo Lei, Song Han, Chao Li, Daihua Zhang, Zuqin Liu and Chongwu Zhou Nanotechnology 18 (2007) 044019 (8pp)
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
400℃后，充入0.13Pa 的高纯氧（99.999%）
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。 激光辐射40min前后靶材的质量损失通过称量确定。
脉冲激光沉积薄膜
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.
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.
PLD 法生长硅基ZnO 薄膜
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] T. Donnelly , S. Krishnamurthy, K. Carney, N. McEvoy, J.G. Lunney Applied Surface Science 254 (2007) 1303–1306
[3] R. Dietscha,*, Th. Holza, D. Weißbacha, R. ScholzApplied Surface Science 197–198 (2002) 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。
XRD分析
实验表征
FTIR 分析
SEM 和TEM分析
XRD 分析
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。
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