PLD技術在功能薄膜材料研究中的應用

2．鐵電薄

鐵電薄膜是在鐵電記憶、壓電、熱釋電和介電等集成器件中有重要應用的一種功能薄膜。由于鐵電薄膜成分的復雜性，原有的制備薄膜方法難以制備出滿足要求的薄膜，限制了其研究和應用。PLD由于其可以保持靶材化學計量比的優點，已成為制備鐵電薄膜的重要手段。用傳統的濺射法、溶膠一凝膠法(sol-Gel)以及有機化學氣相沉積(MOCVD)等方法制備的壓電材料薄膜都有很大的局限，如沉積速率低，基片處理溫度高等，而且還必須采用特另Ⅱ制備的原材料。而采用PLD技術則可克服這些限制，沉積出高度C軸取向的PZT等材料薄膜。為了克服PZT薄膜在極性轉換中容易疲勞的現象，1999年，B．H．Pauk等又利用PLD法成功制備了BLT(Lanthanum—subSTituted bismuth titanate)薄膜。湖北大學的顧豪爽等人也用XeCI準分子激光器制備出BST薄膜，厚度400nm，介電常數為300，損耗為0．015，漏電流密度為2×1010A／ClTl2，表現出良好的電性能。采用PLD方法在鐵電薄膜／襯底及鐵電薄膜／電極之間添加緩沖層，制備多層膜和外延異質結構的方法，來改善鐵電薄膜的電性能，防止鐵電薄摸的老化、電阻特性的退化以及器件的疲勞和失效等方面，也取得了一些滿意的實驗結果。

3．超巨磁電阻(CMR)薄膜

自從1993年Helmolt等在LaBaMn03薄膜中觀察到了巨大(i05％-106％)的負磁阻效應后，引起了物理、計算機、材料和自動控制等領域的眾多科學家的極大興趣。傳統的制備方法(磁控濺射)薄膜的結晶性很差。而PLD方法屬于非平衡制膜方法，通過引入各種氣體可以使薄膜的結晶性變好。而沉積溫度低可以避免高溫對基片材料的熱損傷而降低器件的性能。香港科技大學的M．F．Li，K．H．Wong利用XeCl準分子激光器制備出了Ti／Si基薄膜，具有大的巨磁電阻效應。西北工業大學的高國棉等人【17l用PLD方法制備出了LCSMO系列薄膜。衡量材料GMR性能的兩個最基本參數是： (1)在一定溫度下所能達到的最大GMR值； (2)獲得最大GMR效應所需施加的飽和外磁場強度。GMR與飽和磁場強度的比值稱為磁場靈敏度。巨磁電阻效應材料要獲得廣泛應用的一個關鍵問題，是開發既具有低的飽和場，又具有高的GMR效應的合金系統。研究和開發室溫磁場靈敏度高的GMR磁性薄膜材料是凝聚態物理和材料科學領域的重要任務。

4．半導體薄膜

寬禁帶Ⅱ-Ⅳ族半導體薄膜一直被認為是制作發射藍色和綠色可見光激光二極管和光發射二極管首選的材料。Ⅱ一Ⅵ族半導體在固體發光、紅外、激光、壓電效應等器件方面有著廣泛應用前景。半導體薄膜傳統的制備方法主要是通過分子束外延(MBE)和金屬有機化學氣相外延(MOVOE)合成。近年來人們對PLD法制備半導體薄膜進行了廣泛研究。

W．P．Shen等人利用PLD法分別在InP和GaAs襯底上生長出了ZnS、ZnSe、CdS、CdSe,和CdTe納米薄膜。S．Ito等人采用PLD法以熱壓GaN粉末為靶材，以N2為背景氣體，在MnO襯鹿上沉積生長了GaN薄膜。D．Cole等人分別以N2和NH。為背景氣體，以冷壓成型后燒結的GaN作為靶材，在藍寶石襯底上均獲得纖鋅礦結構的GaN薄膜，而且在NH3氣氛中得到的GaN薄膜具有較低的電阻率。J．Ohta等人分別以壓制的GaN靶和熱壓了的AIN粉為靶材，以AIN作為緩沖層，在藍寶石襯底上沉積生長了GaN薄膜，研究還發現AIN緩沖層引起GaN薄膜極性的變化。PLD法制備ZnO薄膜的研究也受到科研工作者的廣泛關注，開展了大量的研究工作，何建廷綜述了采用PLD法制備的ZnO薄膜的結晶質量、光學和電學性質可以通過襯底溫度、退火溫度、背景氣氛壓力、薄膜厚度、沉積時間、襯底、激光能量密度和重復頻率等因素來進行控制。

四、結束語

脈沖激光沉積方法能夠實現材料“化學計量比”的轉移，并且具有沉積溫度低、操作簡單，適用范圍廣的優點，在高溫超導薄膜、磁性薄膜、鐵電薄膜，有機薄膜等方面已經有廣泛的應用，在沉積金屬單質薄膜和功能梯度薄膜方面也有研究者在開展探索性研究工作。伴隨著脈沖激光沉積及新興的激光分子束外延技術的完善，脈沖激光制膜將會在高質量的納米半導體薄膜超晶格和新型人工設計薄膜的研究方面得到迸一步的發展，同時能加快薄膜生長機理的研究和提高薄膜的應用水平，加速材料科學和凝聚態物理學的研究進程。