脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点

脉冲激光沉积技术所谓“脉冲激光沉积技术”是将脉冲准分子激光所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于真空室内的靶材表面，使靶在极短的时间内加热熔化、气化直至使靶材表面产生高温高压等离子体，形成一个看起来像羽毛状的发光团—羽辉；等离子体羽辉垂直于靶材表面定向局域膨胀发射从而在衬底上沉积形成薄膜。脉冲激光沉积（PLD）是一种新型的制膜技术，PLD制备薄膜大体可分为三个过程：激光与靶材相互作用产生等离子体；等离子体在空间的输运；等离子体在基片上沉积形成薄膜。与其它制膜技术相比，PLD具有以下特点和优势：一、所沉积形成的薄膜可以和靶材成分保持一致。由于等离子体的瞬间爆炸性发射，不存在成分择优蒸发效应以及等离子体发射的沿靶轴向的空间约束效应，因此膜与靶材的成分保持一致。由于同样的原理，PLD可以制备出含有易挥发元素的多元化合物薄膜。二、可在较低温度下原位生长织构膜或外延单晶膜。由于等离子体中原子的能量比通常蒸发法产生的离子能量要大得多，原子沿表面的迁移扩散更剧烈，故在较低温度下也能实现外延生长，而低的脉冲重复频率也使原子在两次脉冲发射之间有足够的时间扩散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生长。PLD的这一特点使之适用于制备高质量的高温超导、铁电、压电、电光等多种功能薄膜。三、能够获得连续的极细薄膜，制备出高质量纳米薄膜。由于高的离子动能具有显著增强二维生长和抑制三维生长的作用，故PLD促进薄膜的生长沿二维展开，并且可以避免分离核岛的出现。四、生长速率较快，效率高。比如，在典型的制备氧化物薄膜的条件下，1小时即可获得1微米左右的膜厚。五、生长过程中可原位引入多种气体，包括活性和惰性气体，甚至它们的化合物。气氛气体的压强可变范围较大，其上限可达1torr.甚至更高，这点是其它技术难以比拟的。气氛气体的引入，可在反应气氛中制膜，使环境气体电离并参与薄膜沉积反应，对于提高薄膜质量具有重要意义。六、由于换靶位置灵活，便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长，这种原位沉积所形成的多层膜具有原子级清洁的界面。七、成膜污染小。由于激光是一种十分干净的能源，加热靶时不会带进杂质，这就避免了使用柑祸等加热镀膜原材料时对所沉积的薄膜造成污染的问题。正因为脉冲激光沉积技术具有上述突出优点，再加上该技术设备较简单，操作易控制，可采用操作简便的多靶台，灵活性大，故适用范围广，并为多元化合物薄膜、多层膜及超晶格膜的制备提供了方便。目前，该技术已被广泛运用于各种功能性薄膜的制备和研究，包括高温超导、铁电、压电、半导体及超晶格等薄膜，甚至可用于制备生物活性薄膜，显示出广泛的应用前景。如今的PLD得到了飞速的发展，激光分子束外延系统（LMBE）是在传统的分子束外延（MBE）和脉冲激光沉积系统（PLD）的基础上发展而来的，PLD与提供原位监测的反射高能电子衍射仪（RHEED）相结合，使得系统能够实现类似于MBE的，单原子层精度的薄膜生长。相比于MBE的热蒸发，它是使用脉冲激光的高能量使材料蒸发甚至电离，因此被称作LaserMBE（激光分子束外延系统）。LMBE属于高端薄膜制备设备，适用于生长各种纳米尺度的单层膜或多层膜。市场上专业做LMBE的厂家有荷兰TSST（TwenteSolidStateTechnologyBV），日本Pascal等。其中TSST公司更是高压RHEED的发明人，在LMBE方面有丰富经验。