PLD技术在功能薄膜材料研究中的应用

薄膜材料已在半导体材料、超导材料、生物材料、微电子元件等方面得到广泛应用。为了得到高质量的薄膜材料，脉冲激光沉积技术受到了广泛的关注。本文介绍了脉冲激光沉积(PLD)薄膜技术的原理及特点，分析了脉冲激光沉积技术在功能薄膜材料中的应用和研究现状，并展望了该技术的应用前景。

一、前言

脉冲激光沉积(Pulsed Laser DeposiTION，简称PLD)是新近发展起来的一项技术，继20世纪80年代末成功地制备出高临界温度的超导薄膜之后，它独特的优点和潜力逐渐被人们认识和重视。该项技术在生成复杂的化合物薄膜方面得到了非常好的结果。与常规的沉积技术相比，脉冲激光沉积的过程被认为是“化学计量”的过程，因为它是将靶的成分转换成沉积薄膜，非常适合于沉积氧化物之类的复杂结构材料。当前脉冲激光制备技术在难熔材料及多组分材料(如化合物半导体、电子陶瓷、超导材料)的精密薄膜，显示出了诱人的应用前景。

二、PLD技术原理及特点

1．PLD技术原理

PLD是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体(T>104K)，这种等离子体定向局域膨胀，在基片上沉积形成薄膜。其装置示意图见图1。并且由于激光能量的特点是在空间和时间的高度集中，产生的等离子体能量远高于常规蒸发产物和溅射离子，平均能量为几十e V。

薄膜的沉积可分为三个阶段：首先，在高强度脉冲激光的照射下的材料一致汽化，产生高浓度的等离子体；接着，等离子体与激光束继续作用，温度和压力迅速升高，沿靶面法向作定向局域等温绝热膨胀发射；最后，作绝热膨胀发射的等离子体迅速冷却，遇到位于靶对面的衬底后即在衬底上沉积形成薄膜。

2．PLD技术特点

脉冲激光沉积作为一种新型的镀膜技术，与其他薄膜沉积技术如分子柬外延和金属有机气相外延制膜技术相比有其独特的优点：(1)独特的源材料转移方式，可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜，甚至含有易挥发元素的多元化合物薄膜；(2)激光脉冲对膜厚的高度可控性；(3)激光熔蚀产生高能粒子大大提高了薄膜表面的可移动性；(4)激光作为一个外部能源不会引起沉积过程的污染；(5)沉积过程中可以引入各种气体如02、H2、N2、NHs,Ar等，非常有利于制备多元素化合物及掺杂；(6)移浓温度低，可以在室温下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜；(7)灵活的换靶装置，非常利于多层膜、超晶格薄膜的生长。

三、PLD技术功能薄膜研究中的应用

由于PLD技术的巨大优点，人们不断研究和探讨PLD法能够沉积的薄膜材料的种类。现在，以PLD为基础而衍生出来的薄膜制备方法几乎能够沉积现有的各种薄膜材料。目前，该技术在薄膜材料方面的研究主要集中在以下几个方面。

1．高温超导薄膜

早在1987年，美国贝尔实验室Dijldcamp等首先使用l(rF脉冲准分子激光器来制备高质量的高温超导薄膜。对于Y系薄膜材料，要达到可供实用化的高临界电流密度以，就必须使YBCO材料的织构取向高度一致，并克服金属基底与YBCO材料之间的相互扩散问题。人们一般采取在金属基底上先沉积一层或几层具有高度织构并且化学性质稳定的扩散障碍层，然后外延生长YBCO薄膜，只有C轴取向的超导薄膜才显示出超导特性。王荣平等在立方织构的Ni基带上用PLD沉积掺Ag的YBCO薄膜，其临界电流密度达到1．1 5MA／CM2。Taki等人研究了用Pt缓冲层来制备YBCO薄膜，发现无论是用SiO。还是MgO作基底，随着缓冲厚度的增加，薄膜的超导特性也增加。另外，中科院的周岳亮指出，测量和控制基片的温度对获得高质量的高温超导薄膜是十分重要的。然而要准确测量基片的温度常常并不十分方便，而且测得温度和实际温度之间的关系的稳定性也十分重要。

另外，由于脉冲激光沉积技术大面积沉积薄膜的均匀性差的缺点，不容易制备大面积的均匀薄膜。为了制备直径大于7cm的薄膜，一种激光一靶一基片复合扫描技术被发展起来。这种技术的特点是不仅靶和激光在扫描，而且基片也作一维或二维扫描运动，用这种技术已经制备出直径为15 ClTI的薄膜。