PLD技術(shù)在功能薄膜材料研究中的應(yīng)用

薄膜材料已在半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、生物材料、微電子元件等方面得到廣泛應(yīng)用。為了得到高質(zhì)量的薄膜材料，脈沖激光沉積技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。本文介紹了脈沖激光沉積(PLD)薄膜技術(shù)的原理及特點(diǎn)，分析了脈沖激光沉積技術(shù)在功能薄膜材料中的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，并展望了該技術(shù)的應(yīng)用前景。

一、前言

脈沖激光沉積(Pulsed Laser DeposiTION，簡(jiǎn)稱PLD)是新近發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，繼20世紀(jì)80年代末成功地制備出高臨界溫度的超導(dǎo)薄膜之后，它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和潛力逐漸被人們認(rèn)識(shí)和重視。該項(xiàng)技術(shù)在生成復(fù)雜的化合物薄膜方面得到了非常好的結(jié)果。與常規(guī)的沉積技術(shù)相比，脈沖激光沉積的過(guò)程被認(rèn)為是“化學(xué)計(jì)量”的過(guò)程，因?yàn)樗菍械某煞洲D(zhuǎn)換成沉積薄膜，非常適合于沉積氧化物之類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前脈沖激光制備技術(shù)在難熔材料及多組分材料(如化合物半導(dǎo)體、電子陶瓷、超導(dǎo)材料)的精密薄膜，顯示出了誘人的應(yīng)用前景。

二、PLD技術(shù)原理及特點(diǎn)

1．PLD技術(shù)原理

PLD是將脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光聚焦作用于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生高溫及燒蝕，并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體(T>104K)，這種等離子體定向局域膨脹，在基片上沉積形成薄膜。其裝置示意圖見(jiàn)圖1。并且由于激光能量的特點(diǎn)是在空間和時(shí)間的高度集中，產(chǎn)生的等離子體能量遠(yuǎn)高于常規(guī)蒸發(fā)產(chǎn)物和濺射離子，平均能量為幾十e V。

薄膜的沉積可分為三個(gè)階段：首先，在高強(qiáng)度脈沖激光的照射下的材料一致汽化，產(chǎn)生高濃度的等離子體；接著，等離子體與激光束繼續(xù)作用，溫度和壓力迅速升高，沿靶面法向作定向局域等溫絕熱膨脹發(fā)射；最后，作絕熱膨脹發(fā)射的等離子體迅速冷卻，遇到位于靶對(duì)面的襯底后即在襯底上沉積形成薄膜。

2．PLD技術(shù)特點(diǎn)

脈沖激光沉積作為一種新型的鍍膜技術(shù)，與其他薄膜沉積技術(shù)如分子柬外延和金屬有機(jī)氣相外延制膜技術(shù)相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)獨(dú)特的源材料轉(zhuǎn)移方式，可以生長(zhǎng)和靶材成分一致的多元化合物薄膜，甚至含有易揮發(fā)元素的多元化合物薄膜；(2)激光脈沖對(duì)膜厚的高度可控性；(3)激光熔蝕產(chǎn)生高能粒子大大提高了薄膜表面的可移動(dòng)性；(4)激光作為一個(gè)外部能源不會(huì)引起沉積過(guò)程的污染；(5)沉積過(guò)程中可以引入各種氣體如02、H2、N2、NHs,Ar等，非常有利于制備多元素化合物及摻雜；(6)移濃溫度低，可以在室溫下原位生長(zhǎng)取向一致的織構(gòu)膜和外延單晶膜；(7)靈活的換靶裝置，非常利于多層膜、超晶格薄膜的生長(zhǎng)。

三、PLD技術(shù)功能薄膜研究中的應(yīng)用

由于PLD技術(shù)的巨大優(yōu)點(diǎn)，人們不斷研究和探討PLD法能夠沉積的薄膜材料的種類?，F(xiàn)在，以PLD為基礎(chǔ)而衍生出來(lái)的薄膜制備方法幾乎能夠沉積現(xiàn)有的各種薄膜材料。目前，該技術(shù)在薄膜材料方面的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

1．高溫超導(dǎo)薄膜

早在1987年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Dijldcamp等首先使用l(rF脈沖準(zhǔn)分子激光器來(lái)制備高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)薄膜。對(duì)于Y系薄膜材料，要達(dá)到可供實(shí)用化的高臨界電流密度以，就必須使YBCO材料的織構(gòu)取向高度一致，并克服金屬基底與YBCO材料之間的相互擴(kuò)散問(wèn)題。人們一般采取在金屬基底上先沉積一層或幾層具有高度織構(gòu)并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的擴(kuò)散障礙層，然后外延生長(zhǎng)YBCO薄膜，只有C軸取向的超導(dǎo)薄膜才顯示出超導(dǎo)特性。王榮平等在立方織構(gòu)的Ni基帶上用PLD沉積摻Ag的YBCO薄膜，其臨界電流密度達(dá)到1．1 5MA／CM2。Taki等人研究了用Pt緩沖層來(lái)制備YBCO薄膜，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是用SiO。還是MgO作基底，隨著緩沖厚度的增加，薄膜的超導(dǎo)特性也增加。另外，中科院的周岳亮指出，測(cè)量和控制基片的溫度對(duì)獲得高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)薄膜是十分重要的。然而要準(zhǔn)確測(cè)量基片的溫度常常并不十分方便，而且測(cè)得溫度和實(shí)際溫度之間的關(guān)系的穩(wěn)定性也十分重要。

另外，由于脈沖激光沉積技術(shù)大面積沉積薄膜的均勻性差的缺點(diǎn)，不容易制備大面積的均勻薄膜。為了制備直徑大于7cm的薄膜，一種激光一靶一基片復(fù)合掃描技術(shù)被發(fā)展起來(lái)。這種技術(shù)的特點(diǎn)是不僅靶和激光在掃描，而且基片也作一維或二維掃描運(yùn)動(dòng)，用這種技術(shù)已經(jīng)制備出直徑為15 ClTI的薄膜。