脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点
激光分子束外延
激光分子束外延激光分子束外延（Laser Molecular Beam Epitaxy，简称LM-EBE）是一种用于生长单晶薄膜的先进材料制备技术。
它基于分子束外延（MBE）技术，通过引入激光束来激发反应物质分子，从而实现对薄膜的精确控制和生长。
激光分子束外延技术是在分子束外延技术的基础上的进一步发展。
传统的分子束外延技术主要依靠热源来提供能量，使反应物质分子蒸发并沉积在衬底表面。
而激光分子束外延技术则利用激光束的高能量和高浓度，来激发反应物质分子，使其在表面进行化学反应并形成薄膜。
激光分子束外延技术具有许多优势。
首先，激光束的高能量和高浓度可以提供更高的表面温度，从而使反应物质分子更容易发生反应和扩散。
其次，激光束的聚焦能力非常强，可以实现对薄膜生长过程的精确控制。
此外，激光分子束外延技术还具有高速生长、高纯度、低掺杂、低损伤等特点。
激光分子束外延技术在材料科学、电子器件制备等领域具有广泛应用。
例如，在半导体器件制备中，通过激光分子束外延技术可以生长出高质量的异质结构，实现不同材料之间的无缝连接，从而提高电子器件的性能。
此外，激光分子束外延技术还可以用于磁性材料、光电材料、生物材料等的制备。
为了实现高质量的薄膜生长，激光分子束外延技术需要考虑多个因素。
首先，要选择适合的激光源，激光的波长和功率对薄膜生长有重要影响。
其次，要控制好激光束的聚焦和扫描，以实现对薄膜生长过程的精确控制。
此外，还要考虑反应物质分子的供应和扩散，以及衬底的表面处理等因素。
激光分子束外延技术是一种先进的材料制备技术，通过利用激光束的高能量和高浓度，实现对薄膜生长过程的精确控制。
它在材料科学、电子器件制备等领域具有广泛应用前景。
随着技术的不断进步和发展，相信激光分子束外延技术将在未来发挥越来越重要的作用。
激光分分子束外延
激光分子束外延的原理
普通分子束外延：在通常的MBE系统中, MBE系统中 普通分子束外延 ：在通常的MBE系统中,分子束源和其加热系统是置于超高真空系统中 在超高真空环境中从加热的分子束源中出射的分子束可以自由地到达衬底表面， 的。 在超高真空环境中从加热的分子束源中出射的分子束可以自由地到达衬底表面， 并且缓慢的沉积速率可以使粒子有足够的时间定位在它的平衡态位置。另外, 并且缓慢的沉积速率可以使粒子有足够的时间定位在它的平衡态位置 。另外, 制备多 组元薄膜时, 人们必须精确地控制每一个分子束源的束流以获得理想计量比。 组元薄膜时, 人们必须精确地控制每一个分子束源的束流以获得理想计量比。
激光分子束外延：脉冲激光源是与超高真空系统隔离的， 激光分子束外延 ：脉冲激光源是与超高真空系统隔离的 ，脉冲激光束通过一个光学窗 口进人真空系统人射到可旋转的靶材表面，使靶材局部气化产生激光焰，被剥蚀的粒 口进人真空系统人射到可旋转的靶材表面， 使靶材局部气化产生激光焰， 子获得很高的动能,到达可加热的衬底表面形成薄膜。 MBE系统中 衬底温度、 系统中, 子获得很高的动能,到达可加热的衬底表面形成薄膜 。在L-MBE系统中, 衬底温度、 激 光能量、激光斑的形状与尺寸、激光焰与衬底的距离、靶的密度和表面质量、 光能量 、激光斑的形状与尺寸 、 激光焰与衬底的距离 、 靶的密度和表面质量 、靶的旋 转速度等都可以调节, 从而可获得最佳的工艺参数。 转速度等都可以调节, 从而可获得最佳的工艺参数。
激光分子束外延的研究内容
成膜动态机理研究： 成膜动态机理研究：激光分子束外延技术采用多种分析手段原位监测薄膜的生长过程, 精确控制薄膜以原子层尺度外延, 所以十分有利于对成膜动态机理进行研究。
Hale Waihona Puke 高温超导电性的探索： 高温超导电性的探索 ： 至今, 人们已相继发现并成功地制备出一些高温超导材料. 实 验证明, 这些材料的共同特征是在其原子排列中存在着原子尺度的层状结构, 层与层 之间会发生耦合. 这种新型材料的高温超导电性和很强的各向异性来源于其结构的准 二维性. 因此制备这种超导材料的高质量外延膜, 特别是对其进行原子层、原胞层尺 度的生长机理和动态过程的系统研究, 这就说明激光分子束外延技术是揭示高温超导 电性的最有力的方法之一。
脉冲激光沉积pld技术及其应用
脉冲激光沉积pld技术及其应用脉冲激光沉积（PLD）技术及其应用一、简介脉冲激光沉积（pulsed laser deposition，PLD）是一种新型的无接触沉积技术，可以在均匀度、速度和性能等方面显著优于传统的技术。
PLD可以用于制备各种氧化物、碳化物和硫化物薄膜材料，如氧化铟锡、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化钒和氧化铈等。
它可以在各种条件下用于定向长晶生长以及相变等研究。
此外，还可以用来生产无机复合薄膜及多层结构膜。
PLD技术可以分为单相和复合技术。
单相PLD是将质子束凝聚为很小的脉冲，并将其射入物质中来实现沉积。
复合PLD则是将物质以脉冲的形式从质子束中发射出来，并将其凝聚在某个表面上形成复合膜，从而达到沉积的目的。
二、原理PLD技术主要由激光光源、脉冲控制器和沉积炉组成，其中脉冲激光沉积（PLD）是一种把脉冲激光束从被沉积材料中激出的新型沉积技术，它的有点是同时允许对较高温度的材料，特别是金属，进行沉积。
PLD的原理是通过激光照射材料，使之形成脉冲辐射，然后将辐射辐射到壁上，使原子能被吸收，然后沉积在被沉积材料的表面上，从而形成沉积膜。
三、应用1、用于材料表面改性由于PLD技术可以用于制备各种氧化物、碳化物和硫化物薄膜，因此可以用于材料表面改性。
通过将薄膜材料涂覆在表面上，可以改变表面的光学、电学等性能，从而提高材料的可利用性。
例如，金属钛的PLD硫化膜可以改善钛的耐蚀性，而钛酸锆的PLD碳化膜可以改善钛的耐热性。
2、用于功能型材料的制备PLD技术还可以用于制备功能型材料，如氧化锆基杂化膜、氧化锗基杂化膜、氧化铝基杂化膜、氧化锰基杂化膜和氧化钛基杂化膜等。
这些材料具有独特的光学、电学和力学性能，可以用于电子器件、传感器、高性能涂料和纳米结构等的制备。
3、用于光刻光学元件的制备PLD技术还可以用于光刻光学元件的制备。
这种技术可以生产折射率高的氧化锆膜，从而可以改善光学系统的像散和成像质量。
脉冲激光沉积技术PPT讲稿
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1. 激光与靶材相互作用产生等离子体
等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且 在整体上表现为近似于电中性的电离气体。
等离子体=自由电子+带正电的离子+未电离原子或分子，为物质的第四态。
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熔化物质的动态
• 在第二阶段，根据气体动力学定律，发射
脉冲激光沉积技术课件
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化学气相沉积 直流溅射
分子束外延
超声喷雾热 解
薄膜制备方法
脉冲激光沉积
溶胶凝胶法
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脉冲激光沉积的实验仪器图
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• 1960年，激光的示范首次出现。自此以后，激光
受到多方面应用，发展成為强效的工具。激光对 物料加工的帮助，效果尤其显着。激光具备许多 独特的性质，例如狭窄的频率带宽、相干性、以 及高释能密度。通常，光束的强度足以汽化最坚 硬与最耐热的物料。再加上激光精确、可靠、具 备良好的空间分辨能力。这些出色表现，所以得 到机製薄膜、物料改造、物料表面加热处理、熔 接，及微型图案等工业广泛使用。除此之外，多 组分物质能够溶化，并沉积在底物上，形成化学 计量薄膜。
靶材表面的高温(可达20000K)和高密度((1016-----1021)/cm3)的等离子体
在靶面法线方向的高温和压力梯度
等温膨胀发射(激光作用时)和绝热膨胀发射(激光终止后)
等离子体区
等离子体羽辉
沿靶面法线方向 轴向约束性
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• 第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能核素碰击
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脉冲激光沉积技术
激光功率
激光功率是脉冲激光沉积过程中的重要参数，它决定了激光能量的大小，从而影响 薄膜的生长速率和成分。
激光功率过低可能导致薄膜生长速率缓慢，而激光功率过高则可能导致基板熔化或 产生其他热效应。
在实际应用中，需要根据基板材料、薄膜成分和厚度等因素选择合适的激光功率。
脉冲宽度
脉冲宽度决定了每个脉冲持续的 时间，它与激光能量和脉冲频率 共同决定了单位时间内激光的总
提高薄膜的生长速率。
然而，过高的脉冲频率可能导致 热积累和热应力增加，因此需要 综合考虑脉冲频率和其他工艺参
数的相互影响。
扫描速度
扫描速度决定了激光在基板上移动的快 慢，它与激光能量和脉冲频率共同决定 了单位面积上接收到的激光能量。
然而，过快的扫描速度可能导致激光 能量不足，影响薄膜的生长速率和成 分。
可能引起材料损伤
脉冲激光的高能量密度可能会引起材 料损伤，如热裂、气孔等，需要进一 步优化工艺参数。
05
脉冲激光沉积技术 的发展趋势和未来 展望
技术改进与创新
01
脉冲激光器的性能提升
随着激光技术的不断发展，脉冲激光器的功率、重复频率和稳定性等性
能将得到进一步提升，为脉冲激光沉积技术提供更强的能量和更好的加
靶材
01
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03
靶材的种类
靶材是脉冲激光沉积技术 的核心组成部分，根据不 同的应用需求，可以选择 不同的靶材。
靶材的特点
靶材需要具有良好的稳定 性和高纯度，以确保制备 出的材料具有高质量和可 靠性。
靶材的应用
靶材广泛应用于材料科学、 电子学、光学等领域，如 薄膜制备、涂层制备、晶 体生长等。
基板
04
脉冲激光沉积技术Leabharlann 的优缺点优点高沉积速率
脉冲激光沉积_PLD_机理分析及其应用_江辉明
在初期羽辉云中产生局部高电子浓度. 初期羽辉云形成后, 其后面的体材料不会被进一步直接消融 , 但羽辉本身对它有影响 . 脉冲消失瞬间, 局部 羽辉云温度可超过 20 000 K, 经 ns 脉冲消融后 , 羽辉厚度约为零点几毫米 , 当接触到靶时 , 初期羽辉的部分 内能热耦合到靶物质中, 使在激光焦点面上约 1 m 厚的靶材进一步消融, 这个过程称为激光支持吸收[ 1] . 对 于金属的消融, 大部分光子能量最终都热耦合进了靶材中. 1. 3 等离子体的膨胀 现在我们再来讨论等离子体向真空中或周围气体中的扩散过程 . 靶表面等离子体火焰形成后, 这些等 离子体的温度和压力迅速上升 , 并在靶面法线方向形成很大的温度和压力梯度, 使其沿靶面法线方向向外 作等温 ( 激光作用时 ) 和绝热膨胀 ( 激光停止后 ) 发射. 这种膨胀发射过程极短 , 具有瞬间爆炸的特性及沿靶 面法线方向发射的轴向约束性 , 可形成一个沿法线向外的细长等离子体区, 即等离子体羽辉. 其空间分布形 状可用高次余弦函数 cosn 来表示 , 为相对靶面法线的夹角 . 其典型值为 5 ~ 10, 随靶材而异 . 等离子体的膨胀过程可用流体力学模型来分析, 等离子体形成后 , 在击穿区产生瞬时高温, 压力迅速增 大, 等离子体膨胀引起超声冲击波, 波前的传播使其周围气体温度上升, 引起电离 . 在脉冲消失前, 等离子体 吸收激光能量在靶面法线上的传播速度很大 , 在激光作用时 , 可得焦点区的等离子体传播速率 U 表达式 U = [ 2( 2 - 1) P ( t )f / 0 d 2 tan2 ] ( 3) P ( t ) 是输出激光功率 , 为常数 , 为绝热指数 , 取决于温度和能量密度 , d 为 z 轴上距离 , f 是激光能量的吸 收系数. 膨胀的等离子体呈椭圆形状, 激光中止后 , 等离子体膨胀过程满足 [ 2] d = Y( ) [ W / 置, 冲击波到达时间与激光能量和压强有关. 1. 4 薄膜的生长 由于粒子间的相互碰撞, 等离子体以逐渐减小的速率向衬底传播 , 在衬底上生长薄膜 . 薄膜的沉积过程
脉冲激光沉积技术ppt
突破多元素、多相材料制备的技术瓶颈，实现多元复杂材料的脉冲 激光沉积。
激光与材料相互作用机制
深入研究激光与材料相互作用机制，优化脉冲激光沉积工艺参数， 提高材料性能。
应用领域的拓展
新材料研发
01
利用脉冲激光沉积技术制备高性能新材料，满足能源、环境、
生物医疗等领域的需求。
微纳制造
02
将脉冲激光沉积技术应用于微纳制造领域，实现高精度、高效
激光器选择与参数设置
激光器类型选择
根据需求选择合适的脉冲激光器，如二氧化碳激光器、YAG 激光器等。
激光参数设置
调整激光脉冲宽度、频率、能量等参数，以满足沉积需求。
脉冲激光照射与靶材熔化
激光聚焦与扫描
通过光学系统将激光聚焦在靶材表面， 并控制激光扫描速度和路径。
靶材熔化与蒸发
激光照射导致靶材局部熔化并蒸发为 原子或分子。
详细描述
通过调整脉冲激光的参数和靶材的组合，可以在基材上同时沉积出多种材料，形成具有 优异性能的复合材料。这些复合材料在航空航天、能源、生物医学等领域具有广泛的应
用前景。
05
脉冲激光沉积技术的未 来发展与挑战
技术创新与突破
高效脉冲激光器
研发更高功率、更短脉冲宽度和更稳定输出的脉冲激光器，提高 脉冲激光沉积的效率和质量。
03Βιβλιοθήκη 脉冲激光沉积技术工艺 流程靶材选择与准备
靶材选择
根据应用需求，选择合适的靶材 ，如金属、陶瓷等。
靶材制备
对靶材进行切割、研磨和抛光等 处理，确保其表面质量和尺寸符 合要求。
真空环境建立与控制
真空室清洗
在沉积前对真空室进行彻底清洗，确保无残留物。
真空度监测与控制
脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点
脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March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。
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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Laser MBE（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 （Twente Solid State Technology BV），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。