PLD光学诊断导论

PLD技术被用于沉积高质量的薄膜材料已有十多年的历史。该技术使用高功率激光脉冲(通常为~108 Wcm-2)来熔化、蒸发和电离目标表面的物质。这种“烧蚀”事件产生了一种瞬态的、高度发光的等离子体羽流，它迅速地从目标表面膨胀出去。所述烧蚀材料被收集在适当放置的基板上，所述烧蚀材料在其上冷凝并生长所述薄膜。万博电脑网页版登录该技术的应用范围从生产超导和绝缘电路元件到改善医疗应用的磨损和生物相容性。尽管这种广泛的应用，发生在材料从目标转移到衬底的基本过程尚未完全了解，因此是许多研究的焦点。

原则上，PLD是一种极其简单的技术，它使用激光能量脉冲从目标表面去除物质，如图所示。

骑士示意图

蒸发的物质，包含中性，离子，电子等，被称为激光产生的等离子体羽流，并迅速膨胀离开目标表面(在真空中速度通常为~106 cm -1)。薄膜生长发生在基材上，一些羽流物质在基材上重新凝结。然而，实际情况并非如此简单，影响薄膜性能的变量很多，如激光通量、背景气体压力和衬底温度。这些变量允许对薄膜性能进行一定程度的操纵，以适应个别应用。万博电脑网页版登录然而，优化可能需要大量的时间和精力。事实上，许多早期的PLD研究都集中在单个材料和应用的沉积条件的经验优化上，而没有试图理解材料从目标到基板运输过程中发生的过程。万博电脑网页版登录

与其他薄膜沉积方法相比，PLD技术具有显著的优势，包括:

1.材料从靶到基材的化学计量转移能力，即复杂材料(如YBCO)的确切化学成分，可以在沉积膜中重现。

2.在适度的激光影响下，可以实现相对较高的沉积速率，通常为~100s Å/min，通过简单地打开和关闭激光器，可以实时控制薄膜厚度。

3.激光被用作外部能源的事实导致了一个非常干净的过程，没有细丝。因此，在惰性和活性背景气体中均可发生沉积。

4.使用旋转木马，容纳许多目标材料，使多层薄膜能够沉积，而不需要在材料之间切换时打破真空。

烧蚀脉冲击中目标表面后，在46nS内观察到镁等离子体羽流向真空膨胀的干涉图。(2.0±0.2)JCM -2对目标的激光辐照度，2nS ICCD栅极宽度。图片由贝尔法斯特女王大学物理系提供。

尽管有这些显著的优势，可编程逻辑器件的工业应用一直缓慢，到目前为止，大多数应用都局限于研究环境。万博电脑网页版登录这主要有三个原因:

1.在激光烧蚀过程中产生的等离子体羽流是高度向前定向的，因此在衬底上收集的材料的厚度是高度不均匀的，并且组成可以在整个薄膜上变化。与许多工业应用所需的~(7.5 x 7.5) cm的面积覆盖相比，沉积材料的面积也相当小，通常为~1cm2。万博电脑网页版登录

2.烧蚀材料中含有宏观的熔融物质球，直径可达~10μm。这些微粒到达衬底显然对所沉积薄膜的性能是有害的。

3.在激光产生的等离子体中发生的基本过程尚未完全了解;因此，新材料的沉积通常需要一段时间的经验优化沉积参数。

在很大程度上，前两个问题已经解决了。通过在目标表面上光栅化激光光斑和/或在沉积过程中移动基板，可以产生厚度和成分均匀的薄膜。线聚焦激光光斑也被用来获得大面积覆盖。颗粒物质最初是用机械速度过滤器从羽流中去除的，尽管最近更复杂的技术，包括两个等离子体羽流之间的碰撞或离轴沉积，已经成功地生长出无颗粒膜。第三个问题将通过计算机模拟来描述PLD的发展来解决，并将进一步加深我们对沉积过程中涉及的基本物理和化学的理解。然而，需要在精确控制和定义的条件下获得大量的实验数据来辅助验证这些模型。

LIF数据采集的典型系统配置

PLD过程可以大致分为两个部分，即等离子体的产生和膨胀，然后是衬底上的薄膜生长。在目前的文章中，将只介绍与初始阶段有关的数据。由于羽流的高亮度和瞬态性质，激光产生的等离子体内的密度、温度和速度的时间演变只能使用快速诊断(~ns时间尺度)来确定。

各种技术，包括干涉测量，光谱学和激光诱导荧光(LIF)，用于研究等离子体产生和膨胀的不同阶段。在烧蚀脉冲(<100ns)后的短延迟时间内，马赫-曾德尔干涉法研究了羽流膨胀到真空中的自由电子成分。利用门宽为2ns的Andor ICCD相机拍摄的一系列干涉图，计算了随时间变化的电子密度。一个典型的图像显示在左边。

基态的LIF图像，单电离钛沿着目标法线膨胀到真空。烧蚀脉冲照射目标表面3μS，激光辐照度为(5.1±0.2)JCM-2。图片由贝尔法斯特女王大学物理系提供。

在膨胀的初始阶段，羽流发射出高强度的宽带辐射，这很容易使探测器饱和。然而，ICCD的短门宽阻挡了大部分连续发射，使干涉图能够从较大的背景信号中“提取”出来。这些“快照”显示了可测量的电子密度，在这些延迟下从目标延伸到≤1mm，峰值密度为bbb1017cm -3，使用阿贝尔反演技术计算。在较长的延迟(和类似的条件下)，LIF用于绘制羽流切片内的中性和离子成分。用于获得LIF测量的典型实验配置如图所示。

左图显示了用5ns ICCD栅极宽度记录的羽流中基态Ti离子的LIF图像。

与脉冲激光沉积相关的第二代光电阴极QE曲线

再一次，需要较短的栅极宽度来从较强的等离子体自发射中提取相对较弱的LIF信号。在延迟3μs时，观察到信号延伸超过50mm，峰值密度~1010cm-3(利用LIF和吸收光谱数据相结合获得)。来自这些诊断的数据被用来构建羽流膨胀的整体图像，以便与激光烧蚀过程的模型进行比较。这两个例子显示了羽流的物种密度和空间范围在不到几微秒的时间尺度上变化了几个数量级，说明了在这种实验调查中使用的诊断和检测器所需要的灵活性。随着我们对等离子体过程的理解的增加，这些研究和计算机模型可以应用于比目前情况下考虑的更复杂的系统，并将包括过程的沉积阶段。最终，希望计算机模拟可以用于预测使用PLD沉积新材料的目的。快ICCD的将继续成为获取开发这些计算机模型所需数据的首选探测器，一旦PLD在工业应用中具有商业可行性，它们的作用可能会转变为过程控制的现场监视器。万博电脑网页版登录

与脉冲激光沉积相关的第三代光电阴极QE曲线