激光诱导等离子体物种的成像

激光产生的等离子体被用于沉积具有良好控制的化学计量学和晶体性质的奇异材料薄膜，如铁磁性、铁电性和高温超导体。优化这类薄膜生长的关键是理解等离子体羽流中发生的基本过程，从最初的激光与目标相互作用开始，等离子体羽流的演变和烧蚀材料在基底上的沉积和生长。强化ICCD相机是分析羽流中进化物种的宝贵工具。这篇笔记概述了瑞士Paul Scherer研究所一个研究多铁材料的小组如何使用ICCD (Andor-iStar)在时间集成和时间分辨研究中成像这种等离子体。

简介

图1:特高压室的俯视图，中心是目标。脉冲激光束产生等离子羽流，直接指向质谱仪。垂直于等离子体膨胀的窗口允许用光学方法进行研究。透镜系统通过声光可调谐滤波器将等离子体成像到高速ICCD上。

多铁性材料是在同一相同时表现出铁磁性、铁电性和铁弹性等多种铁性质的材料。它们是非常有前途的系统在计算或传感的未来应用。万博电脑网页版登录这些材料可以设计出新的数字存储设备，将长寿命磁存储的优点与电子存储技术的易访问性和鲁棒性结合起来。然而，这种结合了这些特性的材料是稀缺的。

对于许多应用来说，万博电脑网页版登录以薄膜的形式生产这些材料是可取的。虽然这带来了自己的挑战，但薄膜生长引入了新的参数，如应变，可以调整材料的性能，从而更好地适应多铁的特殊应用。万博电脑网页版登录为了帮助这些材料的控制和靶向生长，研究小组使用光学发射光谱和时间分辨成像来研究脉冲激光沉积(PLD)过程中的等离子体。

材料和方法

脉冲激光沉积(PLD)是一种非常强大的技术，通过创造等离子体在真空或背景大气中蒸发材料(金属或陶瓷)。来自等离子体云的物种凝结在基质上，在那里薄膜生长。本研究中使用的薄膜是用PLD来生长的。LuMnO3(镥锰氧化物)是一种很有前途的多铁材料，具有正交晶型结构。但其正交结构是亚稳态的，因此不容易合成成块状，用于研究其电磁性质。将其制备成薄膜是获得具有正确晶体结构的高质量稳定材料的一种方法，尽管这并不容易实现。

几个含Lu的靶材被用来研究LuMnO3的PLD沉积，特别关注Lu等离子体物种的特性。所研究的含Lu靶材包括:i)金属Lu靶材，ii)陶瓷Lu2O3靶材，iii)圆柱形六方lumno3陶瓷靶材。采用KrF准分子激光器，波长为248 nm，重复频率为8 Hz，激光通量为3.5 J/cm²。使用成像的9 x 9 mm²掩模，激光束聚焦到约1.7 mm²的光斑大小。背景压力从真空(1 × 10-8毫巴)到1.5 × 10-3和5 × 10-2毫巴，使用N2O和O2背景气体。

等离子体成像使用Andor Solis软件和USB ICCD相机(iStar DH334T-18F-03)耦合到声光可调谐滤波器或AOTF (Brimrose VA210- 0.40 -0.65 H)，工作波长范围为400 - 650 nm。波长分辨率可能为~0.8 nm的较短波长，高达~2.1 nm的650 nm。具体的相机设置门控，帧重复率和延迟时间给出了下面的相关部分的讨论。为了对整个等离子体(4厘米长)进行成像，包括靶体和质谱仪喷嘴，使用了Nikkor(28 - 300毫米)透镜。它被放置在距离等离子体550毫米的距离上，焦距设定为200毫米。

时间和空间分辨的光学发射测量与质谱测量相结合，确定等离子体的组成或种类以及这些种类各自的动能。质谱和等离子体成像都是由放置在激光束路径上的同一个快速光电二极管触发的，这确保了测量的精确同步(见图1)。发射的等离子体辐射被测量为时间、空间和波长的函数。在比较真空条件和氧化背景气体时，Lu和LuO线之间的相对强度随时间的变化表现出明显不同的行为。虽然在所有背景条件下等离子体物种的初始膨胀是相似的，但当来自目标气体和背景气体的物种之间的相互作用成为主导时，这种行为就改变了。在氧化的背景气体中，相对强度的增加有利于氧化的物种，这与质谱的观察结果一致。

等离子体成像

对于等离子体成像，整个等离子体被一个特定的滤波器拍摄，该滤波器选择了一个狭窄的波长带通，理想情况下是一个单一波长。栅极宽度为10 μs，用于捕获等离子体存在时间内的集成强度。从Lu靶标499 nm (Lu I种)和518.5 nm (LuO种)处的发射分别如图2 (a)和(b)所示。将这些数据与图(c)右侧所示的光学照片进行比较。有了这些数据，就可以研究这些物种的整体空间扩张。而激发的Lu种似乎到达了质谱仪(和相应的衬底位置)，激发的LuO种的强度在这个位置严重减弱。质谱测量证实了这一点，到达衬底位置的LuO的数量比Lu小约100倍。

引入氧化亚氮(N2O)作为反应背景气体，以促进形成正交LuMnO3所需的金属氧化物种类的生成;这些物种是由于等离子体云中发生的化学反应而形成的。观察到金属氧化物种类的增加是背景压力的函数。

在N2O背景下，5 × 10-2 mbar的压力下，激发的Lu和LuO在等离子体中的分布与在真空中观察到的有很大的不同。激发态Lu I的分布如图3(a)(红色)所示，在靶点和质谱仪位置中间(考虑到等离子体羽流膨胀)，其强度明显下降。与此相反，随着与目标距离的增加，激发的LuO粒子的发射明显增强，如图3(b)(绿色)所示。这是由于等离子体物种在这个压力下的平均自由程大大减少，导致碰撞增加。这导致化学活性增加，并在远离目标的地方产生更多的LuO物种。这些碰撞也有助于氧化石墨烯的再激发，从而提高这些被激发粒子的有效寿命;这被观察到是一个半月形状的分布在与鲁I种相关的区域(见图3(b))。将图3(b)中LuO云的范围与光学图像3(c)中等离子体的范围进行比较，可以发现这两个区域吻合得相当好。

通过时间分辨测量可以获得等离子体内部过程的进一步信息。一系列的测量与门宽减少到50 ns和门延迟变化之间的帧在90 ns步，共获得30帧;该系列中的每一帧都由集成在芯片(IOC)上的50个重复镜头组成。图4显示了从三种不同背景气体条件下不同采集的不同物种的帧选择。图片比较了Lu I和LuO三个背景，图的顶部是“在真空中”，中间是压力为1.5x10-3 mbar的N2O，底部是压力为5x10-2 mbar的N2O。高压气体的强度比其他两种要大得多，因此为了进行比较，顶部和中间图像的刻度被放大了x10倍。每组顶部图像中的明亮水平线是由于镜头的内部反射(参考明亮点光源的镜头光晕效应)。

图4:在三种不同的背景条件下，Lu I(每个块的顶部一行)和LuO(每个块的底部一行)在不同延迟时间下的等离子体图像:a)真空，b) 1.5 x 10- 3mbar N2O, c) 5 x 10- 2mbar N2O。所有的测量都在Lu目标上进行。

从图像中可以看出，随着背景压力从真空增加到1.5x10-3毫巴，然后增加到5x10-2毫巴，这种行为发生了巨大的变化。在真空中，在整个烧蚀过程中，Lu I的发射强度比LuO的强度要强，这是由缺氧引起的。在中间压力下，LuO发射与Lu I发射的强度相似，在过程后期甚至比Lu I发射更强。在~1000 ns后，在最高压力情况下，LuO强度超过了Lu I的发射，发生了显著的变化。在等离子体膨胀过程的后期，这种差异进一步增大。特别是在之后的时间里，等离子体以一个共同的速度在所谓的冲击波中移动，在那里大部分的等离子体与背景气体相互作用，因此氧化发生了。

对图4数据的强度进行积分可以看出，从真空到中间压力，Lu I和LuO的强度都有所增加，且LuO/Lu I比值略有增加。在最高的压力下，在~400 ns后观察到LuO强度的强烈增加，在1200 -1300 ns左右出现最大值，此时等离子体到达质谱仪;这与观测到的等离子体中物种的分布是一致的。质谱证实，在最高的压力下，冲击波的氧化成为主导过程，导致金属Lu种强烈氧化为LuO和更高的氧化物。

结论

该小组展示了质谱和等离子体成像在表征各种材料的脉冲激光沉积中使用的等离子体羽的高度成功的使用。具体地说，他们的数据表明，大部分的LuO物种是在等离子体中产生的，其中Lu I物种与背景N2O气体相互作用，特别是在激波锋面区域。iStar ICCD相机与声光滤波器相结合，能够获得不同种类的等离子体图像，具有一定的时间延迟和分辨率。

确认

本照会所提供的资料和数字已从瑞士Villigen PSI通用能源部的CW Schneider博士及其同事M Bator博士和T Lippert博士感激地收到

参考文献

1. http://www.psi.ch/materials/about-materials-group
2. 李晓燕，李晓燕，李晓燕(2013)。激光诱导等离子体在不同背景条件下的氧化。应用表面科学278,47-51