脉冲激光沉积PLD 薄膜

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1、脉冲激光沉积薄膜,组员： 苏浩（报告人） 李年 吕方景 刘岗,引言,脉冲激光沉积( PLD) 技术是20 世纪60 年代出现的一门新兴的薄膜制备技术。1965 年Smith 等进行了激光制膜的研究。 脉冲激光沉积技术是制备薄膜一种重要的方法,在有机薄膜、有机-无机杂化薄膜以及多层有机薄膜的制备方面有其独特的优势。近年来,国内外开展了一些有机薄膜脉冲激光沉积的研究工作,并对该技术进行了发展和改进. 近年来,人们将脉冲激光技术和有机薄膜的制备结合起来,开展了一系列有机薄膜和生物材料薄膜的脉冲激光沉积研究,并取得了不错的成果。,PLD 的特点和优势,可以蒸发金属、半导体、陶瓷、金属氧化物等高温难熔无

2、机材料制膜。 可以制备有机薄膜以及复杂成分的无机薄膜。 能够保持聚合物与有机分子结构的完整性。 在较低温度下原位实现薄膜的生长。 能够制备高质量的纳米薄膜。 适用范围广、设备简单、易于操作。,PLD 的基本原理及物理过程,脉冲激光沉积技术就是将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光束聚焦后作用于靶材表面,瞬间产生高温高压等离子体( T 104 K) ,等离子体定向局域绝热膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜,PLD原理图,参考陈老师PPT,脉冲激光沉积示意图,主要分为3 个过程: 靶材的汽化和等离子体的产生。 等离子体定向局域等温绝热膨胀发射。 等离子体与衬底相互作用,在衬底上沉积而形成薄膜。,Tube

3、Furnace,Quartz Tube,target,MgO Nanowires,Laser Beam,脉冲激光沉积示意图,影响薄膜质量的因素,激光对薄膜质量的影响 环境压强和气氛种类的影响 衬底到靶的距离(D) 沉积温度、种类及表面光洁度 掺杂 退火条件的选择,Dual-beam PLD,解决大面积沉积膜厚不均的问题 因为等离子体羽的方向接近于靶的法线方向，通过一聚焦的激光束扫射圆柱形靶，可以把等离子体羽拉长。 合适的等离子体羽和基板的相对运动就可以得到适当厚度的薄膜。,Combination of large area PLD (left) and magnetron sputter de

4、position (right),PLD of nanoparticle films of Au,Nd:YAG激光器:波长1064nm20Hz，脉冲长度6 ns，真空室压力5 10-5 mbar. Si衬底距靶材9cm。平面朗格缪尔离子探针5mm2，偏压-30V，距靶材8cm。 一个石英晶体检测器用来测量沉积材料的平均厚度。激光辐射40min前后靶材的质量损失通过称量确定。,AFM images for films of equivalent thickness,0.5 nm 2.5 nm 4 nm Au on Si,Optical absorption of 0.5 nm, 2.5 nm,

5、3 nm and 4 nm Au on Al2O3.,PLD 法生长硅基ZnO 薄膜,激光器Nd：YAG脉冲激光器，输出波1064nm，单脉冲能量208mJ，击中靶的光斑面积为0.43mm2，产生48mJ/cm2的能量密度，重复频率10Hz，脉宽10ns。 靶材：烧结高纯ZnO（99.99%）固体靶 系统真空：抽至1.2104Pa，加热衬底温度至400后，充入0.13Pa 的高纯氧（99.999%）,实验过程,用聚焦的脉冲激光束通过成膜室的光学窗，与靶面成45的方向烧蚀ZnO 靶。沉积时间15 min。待样品降至室温，取出样品，用称重法测出薄厚约为99 nm。,实验表征,XRD分析 FTIR

6、分析 SEM 和TEM分析,XRD 分析,分析：2=34处的 峰是仪器分辨率范围内唯一的峰，其半高宽0.85，表明所制备的ZnO薄膜C轴取向高度一致，薄膜质量较好。 由于ZnO 晶粒（002）晶面最密排且表面能量密度最低，因而ZnO薄膜沿轴择优取向长，其它晶面的生长受到了抑制。,FTIR分析,分析；存在三个明显的吸收峰 ）峰为SiO 键的非对称伸缩振动吸收，为SiO2 中的SiO 键 ）属于硅晶格中的替位碳的振动吸收 ）对应ZnO 键的红外光谱的特征吸收峰 由于ZnO 薄膜的生长过程中采用了400的衬底温度，提高了Zn原子和O 原子在衬底表面的迁移率进而提高了ZnO薄膜的结晶质量，使得ZnO

7、的吸收峰非常尖锐,SEM 和SAED分析,分析：SEM 和SAED 表明薄膜表面平整致密，晶粒大小分布比较均匀，制备的ZnO 薄膜为具有六方纤锌矿结构的单晶薄膜。,参考文献,1 Bo Lei, Song Han, Chao Li, Daihua Zhang, Zuqin Liu and Chongwu Zhou Nanotechnology 18 (2007) 044019 (8pp) 2 T. Donnelly , S. Krishnamurthy, K. Carney, N. McEvoy, J.G. Lunney Applied Surface Science 254 (2007) 13

8、031306 3 R. Dietscha,*, Th. Holza, D. Weibacha, R. ScholzApplied Surface Science 197198 (2002) 169174 4 E. Cappellia,*, C. Scillettaa, S. Orlando Thin Solid Films 482 (2005) 305 310 5 何建廷等，PLD 法生长硅基ZnO 薄膜的特性，电子元件与材料2005.5,Thank you for your attention,Thank you for your attention,Thank you for your attention,Thank you for your attention,