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脉冲激光沉积
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[[File:脉冲激光沉积.jpg|缩略图|[https://image.baidu.com/search/detail?ct=503316480&z=0&ipn=d&word=%E8%84%89%E5%86%B2%E6%BF%80%E5%85%89%E6%B2%89%E7%A7%AF&step_word=&hs=0&pn=4&spn=0&di=1650&pi=0&rn=1&tn=baiduimagedetail&is=0%2C0&istype=0&ie=utf-8&oe=utf-8&in=&cl=2&lm=-1&st=undefined&cs=1258790596%2C191903750&os=196099934%2C1404780569&simid=0%2C0&adpicid=0&lpn=0&ln=479&fr=&fmq=1621570114381_R&fm=&ic=undefined&s=undefined&hd=undefined&latest=undefined©right=undefined&se=&sme=&tab=0&width=undefined&height=undefined&face=undefined&ist=&jit=&cg=&bdtype=0&oriquery=&objurl=https%3A%2F%2Fgimg2.baidu.com%2Fimage_search%2Fsrc%3Dhttp%3A%2F%2Fwww.wendangwang.com%2Fpic%2F9e6ef45c85ff343bbdee647b8c230367fe9d288a%2F1-810-jpg_6-1080-0-0-1080.jpg%26refer%3Dhttp%3A%2F%2Fwww.wendangwang.com%26app%3D2002%26size%3Df9999%2C10000%26q%3Da80%26n%3D0%26g%3D0n%26fmt%3Djpeg%3Fsec%3D1624162127%26t%3D23474967f4e89bea05b0d8d15b8b79fb&fromurl=ippr_z2C%24qAzdH3FAzdH3Fooo_z%26e3Bojg1wg2owg2_z%26e3Bv54AzdH3F15vAzdH3Fljmju9cvbcuun9nkk1jjm90kbvdnanm0ujl1dbbw&gsm=3&rpstart=0&rpnum=0&islist=&querylist=&force=undefined 原图链接][https://www.wendangwang.com/doc/9e6ef45c85ff343bbdee647b8c230367fe9d288a 来自文档网]]] '''脉冲激光沉积'''(Pulsed Laser Deposition,PLD),也被称为脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation,PLA),是一种利用激光对物体进行轰击,然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上,得到沉淀或者薄膜的一种手段。 == 发展前景 == 由脉冲激光沉积技术的原理、特点可知,它是一种极具发展潜力的薄膜制备技术。随着辅助设备和工艺的进一步优化,将在半导体薄膜、超晶格、超导、生物涂层等功能薄膜的制备方面发挥重要的作用;并能加快薄膜生长机理的研究和提高薄膜的应用水平,加速材料科学和凝聚态物理学的研究进程。同时也为新型薄膜的制备提供了一种行之有效的方法。 == 简介 == 随着现代科学和技术的发展,薄膜科学已成为近年来迅速发展的学科领域之一,是凝聚态物理学和材料科学的一个重要研究领域。功能薄膜是薄膜研究的主要方面,它不仅具有丰富的物理内涵,而且在微电子、光电子、超导材料等领域具有十分广泛的应用。 长期以来,人们发明了多种制膜技术和方法:[[真空蒸发沉积]]、[[离子束溅射]]、[[磁控溅射沉积]]、[[分子束外延]]、[[金属有机化学气相沉积]]、[[溶胶- 凝胶法]]等。上述方法各有特点,并在一些领域得到应用。但由于其各有局限性,仍然不能满足薄膜研究的发展及多种薄膜制备的需要。随着激光技术和设备的发展,特别是高功率脉冲激光技术的发展,脉冲激光沉积(PLD)技术的特点逐渐被人们认识和接受。 == 历史背景 == 早于1916年,爱因斯坦(Albert Einstein)已提出受激发射作用的假设。可是,首次以红宝石棒为产生激光媒介的激光器,却要到1960年,才由梅曼(Theodore H. Maiman)在休斯实验研究所建造出来。总共相隔了44年。使用激光来熔化物料的历史,要追溯到1962年,布里奇(Breech)与克罗斯(Cross)利用红宝石激光器,汽化与激发固体表面的原子。三年后,史密斯(Smith)与特纳(Turner)利用红宝石激光器沉积薄膜,视为脉冲激光沉积技术发展的源头。 不过,脉冲激光沉积的发展与探究,处处受制。事实上,当时的激光科技还未成熟,可以得到的激光种类有限;输出的激光既不稳定,重复频率亦太低,使任何实际的膜生成过程均不能付诸实行。因此,PLD在薄膜制作的发展比其它技术落后。以分子束外延(MBE)为例,制造出来的薄膜质量就优良得多。 往后十年,由于激光科技的急速发展,提升了PLD的竞争能力。与早前的红宝石激光器相比,当时的激光有较高的重复频率,使薄膜制作得以实现。随后,可靠的电子Q开关激光(electronic Q-switches lasers)面世,能够产生极短的激光脉冲。因此,PLD能够用来做到将靶一致蒸发,并沉积出化学计量薄膜。由于紫外线辐射,薄膜受吸收的深度较浅。之后发展出来的高效谐波激光器(harmonic generator)与激基分子激光器(excimer)甚至可产生出强烈的紫外线辐射。自此以后,以非热能激光熔化靶物质变得极为有效。 自1987年成功制作高温的Tc超导膜开始,用作膜制造技术的脉冲激光沉积获得普遍赞誉,并吸引了广泛的注意。过去十年,脉冲激光沉积已用来制作具备外延特性的晶体薄膜。[[陶瓷氧化物]](ceramic oxide)、[[氮化物膜]](nitride films)、[[金属多层膜]](metallic multilayers),以及各种超晶格(superlattices)都可以用PLD来制作。近来亦有报告指出,利用PLD可合成纳米管(nanotubes)、纳米粉末(nanopowders),以及[[量子点]](quantum dots)。关于[[复制能力]]、大面积递增及多级数的相关生产议题,亦已经有人开始讨论。因此,薄膜制造在工业上可以说已迈入新纪元。 <ref>[https://news.yiche.com/hao/wenzhang/30590330 研究人员开发新的脉冲激光沉积技术]易车网</ref> == 机制 == PLD的系统设备简单,相反,它的原理却是非常复杂的物理现象。它涉及高能量脉冲辐射冲击固体靶时,激光与物质之间的所有物理相互作用,亦包括等离子羽状物的形成,其后已熔化的物质通过等离子羽状物到达已加热的基片表面的转移,及最后的膜生成过程。所以,PLD一般可以分为以下四个阶段: 1. 激光辐射与靶的相互作用 2. [[熔化物质]]的动态 3. 熔化物质在基片的沉积 4. 薄膜在基片表面的成核(nucleation)与生成 在第一阶段,激光束聚焦在靶的表面。达到足够的高能量通量与短脉冲宽度时,靶表面的一切元素会快速受热,到达蒸发温度。物质会从靶中分离出来,而蒸发出来的物质的成分与靶的化学计量相同。物质的瞬时熔化率大大取决于激光照射到靶上的流量。熔化机制涉及许多复杂的物理现象,例如碰撞、热,与电子的激发、层离,以及流体力学。 在第二阶段,根据气体动力学定律,发射出来的物质有移向基片的倾向,并出现向前散射峰化现象。空间厚度随函数cosnθ而变化,而n>>1。激光光斑的面积与等离子的温度,对沉积膜是否均匀有重要的影响。靶与基片的距离是另一个因素,支配熔化物质的角度范围。亦发现,将一块障板放近基片会缩小角度范围。 第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击基片表面,可能对基片造成各种破坏。高能核素溅射表面的部分原子,而在入射流与受溅射原子之间,建立了一个碰撞区。膜在这个热能区(碰撞区)形成后立即生成,这个区域正好成为凝结粒子的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高,热平衡状况便能够快速达到,由於熔化粒子流减弱,膜便能在基片表面生成。 == 优点 == 1. 易获得期望化学计量比的多组分薄膜,即具有良好的保成分性; 2. [[沉积速率]]高,试验周期短,衬底温度要求低,制备的薄膜均匀; 3. 工艺参数任意调节,对靶材的种类没有限制; 4. 发展潜力巨大,具有极大的兼容性; 5. 便于清洁处理,可以制备多种薄膜材料。 <ref>[https://www.163.com/dy/article/G9NHNG9N05329TW8.html 香港理工郝建华/中科大陈仙辉今日《Nature Materials》: 大规模生长厘米级高质量的少层黑磷薄膜]网易订阅</ref> == 存在问题 == 作为一种新生的沉积技术脉冲激光沉积也存在以下有待解决的问题: (1 )对相当多材料,沉积的薄膜中有熔融小颗粒或靶材碎片,这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的,这些颗粒的存在大大降低了薄膜的质量,事实上,这是PLD 迫切需要解决的关键问题; (2 )限于目前商品激光器的输出能量,尚未有实验证明激光法用于大面积沉积的可行性,但这在原理上是可能的; (3 )平均沉积速率较慢,随淀积材料不同,对1000 平方毫米左右沉积面积,每小时的沉积厚度约在几百纳米到1微米范围; (4 )鉴于激光薄膜制备设备的成本和沉积规模,目前看来它只适用于微电子技术、传感器技术、光学技术等高技术领域及新材料薄膜开发研制。随着大功率激光器技术的进展,其生产性的应用是完全可能的。 == 參考來源 == {{Reflist}} [[Category:340 化學總論]]
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