PLD技術在功能薄膜材料研究中的應用

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

一、前言

脈沖激光沉積(Pulsed Laser DeposiTION，簡稱PLD)是新近發展起來的一項技術，繼20世紀80年代末成功地制備出高臨界溫度的超導薄膜之后，它獨特的優點和潛力逐漸被人們認識和重視。該項技術在生成復雜的化合物薄膜方面得到了非常好的結果。與常規的沉積技術相比，脈沖激光沉積的過程被認為是“化學計量”的過程，因為它是將靶的成分轉換成沉積薄膜，非常適合于沉積氧化物之類的復雜結構材料。當前脈沖激光制備技術在難熔材料及多組分材料(如化合物半導體、電子陶瓷、超導材料)的精密薄膜，顯示出了誘人的應用前景。

二、PLD技術原理及特點

1．PLD技術原理

PLD是將脈沖激光器所產生的高功率脈沖激光聚焦作用于靶材表面，使靶材表面產生高溫及燒蝕，并進一步產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。其裝置示意圖見圖1。并且由于激光能量的特點是在空間和時間的高度集中，產生的等離子體能量遠高于常規蒸發產物和濺射離子，平均能量為幾十e V。

薄膜的沉積可分為三個階段：首先，在高強度脈沖激光的照射下的材料一致汽化，產生高濃度的等離子體；接著，等離子體與激光束繼續作用，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射；最后，作絕熱膨脹發射的等離子體迅速冷卻，遇到位于靶對面的襯底后即在襯底上沉積形成薄膜。

2．PLD技術特點

脈沖激光沉積作為一種新型的鍍膜技術，與其他薄膜沉積技術如分子柬外延和金屬有機氣相外延制膜技術相比有其獨特的優點：(1)獨特的源材料轉移方式，可以生長和靶材成分一致的多元化合物薄膜，甚至含有易揮發元素的多元化合物薄膜；(2)激光脈沖對膜厚的高度可控性；(3)激光熔蝕產生高能粒子大大提高了薄膜表面的可移動性；(4)激光作為一個外部能源不會引起沉積過程的污染；(5)沉積過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取向一致的織構膜和外延單晶膜；(7)靈活的換靶裝置，非常利于多層膜、超晶格薄膜的生長。

三、PLD技術功能薄膜研究中的應用

由于PLD技術的巨大優點，人們不斷研究和探討PLD法能夠沉積的薄膜材料的種類。現在，以PLD為基礎而衍生出來的薄膜制備方法幾乎能夠沉積現有的各種薄膜材料。目前，該技術在薄膜材料方面的研究主要集中在以下幾個方面。

1．高溫超導薄膜

早在1987年，美國貝爾實驗室Dijldcamp等首先使用l(rF脈沖準分子激光器來制備高質量的高溫超導薄膜。對于Y系薄膜材料，要達到可供實用化的高臨界電流密度以，就必須使YBCO材料的織構取向高度一致，并克服金屬基底與YBCO材料之間的相互擴散問題。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并且化學性質穩定的擴散障礙層，然后外延生長YBCO薄膜，只有C軸取向的超導薄膜才顯示出超導特性。王榮平等在立方織構的Ni基帶上用PLD沉積摻Ag的YBCO薄膜，其臨界電流密度達到1．1 5MA／CM2。Taki等人研究了用Pt緩沖層來制備YBCO薄膜，發現無論是用SiO。還是MgO作基底，隨著緩沖厚度的增加，薄膜的超導特性也增加。另外，中科院的周岳亮指出，測量和控制基片的溫度對獲得高質量的高溫超導薄膜是十分重要的。然而要準確測量基片的溫度常常并不十分方便，而且測得溫度和實際溫度之間的關系的穩定性也十分重要。

另外，由于脈沖激光沉積技術大面積沉積薄膜的均勻性差的缺點，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合掃描技術被發展起來。這種技術的特點是不僅靶和激光在掃描，而且基片也作一維或二維掃描運動，用這種技術已經制備出直徑為15 ClTI的薄膜。