【2017年整理】PLD生长氧化物薄膜及其光学应用.doc

PLD生长氧化物薄膜及其光学应用 摘要：PLD是一种快速发展的技术，可用于生成高质量的薄膜。本文主要介绍PLD生长氧化物薄膜的研究现状和其生长的氧化物薄膜在光学方面的应用，以及PLD生长薄膜的基本过程、实时监控系统和用计算机仿真优化实验参数的方法。此外，还讨论了PLD生长氧化物薄膜的所面临和急需解决的问题。 研究现状 纳米薄膜由于其特殊的量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等成为现代凝聚态物理和材料科学研究中的一个重要研究领域。近年来, 人们对纳米薄膜的制备、结构、性能和应用前景进行了众多的研究。长期以来,人们发展了真空蒸发沉积、磁控溅射沉积、粒子束溅射沉积、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等制膜技术和方法。上述方法各具特色和使用范围,也有各自的局限性。脉冲激光沉积(PLD)是伴随着激光技术的问世而发展起来的制备薄膜的新型技术。1987年，美国贝尔实验室的D.Dijkkamp等首次采用PLD技术，利用KrF准分子激光器，成功制备出高温超导薄膜YBa2Cu3O7-d。CeO2，GeO2，HfO2，ITO，MgO，SiO2，SnO2，Y203，ZnO，ZrO2等。大多数情况下，折射率可用于表征薄膜的结构和组成特性。大量结果显示致密膜的折射率与室温下体材料的折射率相近。第二类复合氧化物常为单晶材料表现出有趣的非线性光学（NLO）性能。虽然系统研究了几种材料的生长条件用于制备外延薄膜，但是其非线性光学（NLO）仅研究了几种情况：Bi4Ti3O12，KTN，KTP，LiNbO3和(Pb,La)(Zr,Ti)O3薄膜。但是，一种完整层状系统的纵向光电调制器已经用PLD成功制备，其中包括SrRuO3底电极，KTN光电层和透明的ITO顶电极。这一结果提高了用PLD制备这类材料并研究其光学和NLO性能的兴趣。最后一类复合玻璃材料是一新兴领域，具有较高的研究潜能在发展主动和被动平面波导的光子应用方面。通过在Ar气和氧气环境下交替激光烧蚀CdTe和SiO靶材从而在SiO2基底中嵌入CdTe微晶，结果显示薄膜具有很高的NLO图形的优点，并且衰减时间（10 ps）远快于以前报道的半导体掺杂玻璃。此外，PLD还成功制备了稀土元素（Er-Yb）掺杂的磷酸盐玻璃波导，其在1.5μm处有很好的发光效应。 研究方法 图1是PLD薄膜生长的常规配置，气体入口和衬底加热是可调控的。一束脉冲激光聚焦在靶材表面，夹角常为45°，靶材放置在真空室中。随后，一束可见的等离子体羽辉生成，由能量范围在1-100eV的电子、粒子和中性粒子组成。然后，等离子体羽辉在真空室中沿靶材法线方向先进行短暂的等温膨胀，既而进行绝热膨胀。随着脉冲激光的周期性重复，周期性地形成新的等离子体羽辉，这些等离子体羽辉很快穿过真空室到达衬底，开始薄膜沉积过程。沉积过程先在衬底表面生长核（一般为衬底表面缺陷）周围形成生长岛。随着等离子体不断沉积，不断出现新的生长岛，原来的生长岛继续增大直到这些生长岛合并联结成完整的膜。当膜的厚度累积增大到所需的厚度时关闭激光，停止沉积。 PLD实验方法看似简单而机理却极其复杂。为此，人们进行了采用各种可行装置进行实时监控、分析的大量研究，以便能够精确分析、监控薄膜在原子层尺度上的外延生长，该技术称为激光原子层外延。其中，高能电子衍射（RHEED）技术是一种较为成熟和常用的方法，它把传统的分子束外延技术（MBE）与脉冲激光制膜技术的优势进行了有机结合，是制备高质量外延薄膜，特别是多层及超晶格膜的有效方法。它的装置如图2所示。原理为：如果薄膜按二维原子层方式生长，RHEED 谱随膜层按原子尺度的增加将发生周期性的振荡。当新的一层膜开始生长时，RHEED谱强度总是处于极大值，其振荡周期对应的膜厚就是每一新的外延层的厚度。此外，如发射光谱法、质谱仪、高速CCD摄影法、光电子能谱仪、石英晶体振荡膜厚监测仪等也常用于制膜过程中等离子体诊断和结构、成分的实时监控分析。 此外，实验参数的优化是PLD制备薄膜技术的关键所在，可以通过计算机仿真方法来优化实验参数，主要的仿真方法有数值分析法和蒙特卡罗模拟方法。 其中，蒙特卡罗方法是由Bird在计算单一气体松弛问题时最先采用的。其实质是用适当数目的模拟分子代替大量的真实气体分子，用计算机模拟由于气体分子运动碰撞、运动而引起的动量和能量的输运、交换、产生气动力和气动热的宏观物理过程，从而可以较数值分析方法更真实地仿真实验的真实情况。Itina等把Bird的思想在脉冲激光沉积薄膜过程模拟方法中进行了一系列比较成功的应用，详细考虑了原子沉积、扩散、成核、生长和扩散原子的再蒸发，不同背景气体、不同气压对不同质量数的粒子的作用差异，对薄膜沉积速率等做了许多成功的估算。如模拟得出25Pa的压强下质量数小（ 27）的粒子、40P