脉冲激光沉积技术知识介绍

脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）制膜技术是利用高能激光束作为热源来轰击待蒸发材料，然后在基片上蒸镀薄膜的一种新技术。

激光光源可以采用准分子激光、CO2激光、Ar激光、钕玻璃激光、红宝石激光及钇铝石榴石激光等大功率激光器，并置于真空室之外。高能量的激光束透过窗口进入真空室中，经棱镜或凹面镜聚焦，照射到蒸发材料上，使之加热（或烧蚀）气化蒸发。聚焦后的激光束功率密度很高，可达 106 W/cm²以上。

1987年，Bell 实验室的 Venkatesan 及其合作者首次使用 PLD技术生长出了高质量的YBCO 薄膜。PLD技术受到了人们的广泛关注，近5年内，利用PLD方法制备薄膜的化合物种类就已接近200种。

迄今，PLD 沉积类金刚石薄膜、高温超导薄膜、各种氮化物薄膜、复杂的多组分氧化物薄膜、铁电薄膜、非线性波导薄膜、合成纳米晶量子点薄膜等已经得到应用。下图是脉冲激光沉积装置的基本结构示意图。

从激光器中产生的激光，先经过反射镜改变其前进方向，后经过一个凸透镜将激光束聚焦到靶面上。聚焦激光产生一个足够大的电场将处于光吸收深度范围内的电子通过非线性过程从原子中移出。对于一个纳秒激光脉冲来说，该过程所用时间极短，约为10 ps左右;对于大部分的材料来说，激光与靶材的相互作用范围，即光吸收深度大约在10m 以内。因此对于10 nm 以内的聚焦光斑来说，将会有大约1015个外层电子产生，这些电子在激光光束产生的电磁场中振荡的同时还与邻近的原子或离子相互碰撞，从而将一部分能量转移到靶表面的晶格中。一旦产生足够密度的自由电子，逆轫致辐射将成为主要的过程。

当激光脉冲停止后，由于库仑排斥和靶表面的反冲作用，由高能离子、电子、原子、分子等组成的等离子体从融蒸的靶材附近快速绝热地膨胀和传播，并与背景气体发生复杂的气相反应。

这些膨胀的等离子体所发出的可见光光谱，就是羽辉（Plume），它们的温度接近10000K或更高。这些高能粒子从融蒸到沉积到衬底上所需要的时间大约为几个μs，到达衬底表面后以一定的概率吸附在其上，继而成核、长大，形成连续的薄膜。虽然 PLD沉积薄膜的过程和原理比较简单，但是要得到高质量的薄膜还是比较困难的，这是因为在薄膜的沉积过程中，控制薄膜生长的参数很多，诸如基片类型、衬底温度、激光能量密度、背景气压、靶基距、沉积率、退火温度和退火气压等，而且这些参数之间的相互作用也很复杂。随着激光器技术的发展，PLD技术所使用的主要激光器参数如下图：