万方数据
粼戮帮蕊媾麟麟嚣戮糍黻戳黼粼螭嘲醛辩黼醐麟骝糕瓣鬻嚣蹴巍蘩辫囊群鞣瓣缫瓣籀黼鹱辩糖鞲磁糍期鞣黪鬻巍鬻猫赣黼攀戮舞鳓§麟饕麓巍魏糯爨黼臻辩糍黼霸禳瓣瓣麓瓣鬻黪麟鼎酿鹾鞫鞫蹲徽瓣誊辫戳黪粼善囊辅§黪｝物、硅化物以及各种有机物（如金刚石薄膜）；最后发展到制备纳米
薄膜。在脉冲激光沉积制备技术飞速发展的同时，人们对脉冲激光沉积制备薄膜理论也进行了广泛深入的研究。无机发光薄膜的制备方法很多，常见的有溅射沉积法、化学气相沉积法、离子注入法、溶胶一凝胶法等，但由于其各自的局限性，仍不能满足薄膜研究的要求。近
几年随着高功率脉冲激光技术的发展，脉冲激光沉积法的独特优点和潜力逐渐被人们认识和重视ｍ４１。当前，脉冲激光沉积法在难熔材料及多组分材料ｆ如化合物半导体、电子陶瓷１５】、超导材料）的精密薄膜，尤其是外延单晶纳米薄膜及多层结构薄膜的制备上显示出广阔前景。本文将主要论述脉冲激光沉积法制备无机发光薄膜的研究现状。２脉冲激光沉积法制备无机发光薄膜的原理当一束强激光脉冲照射到靶材上时，靶材就会被激光加热、熔化、汽化直至变为等离子体。等离子体然后从靶材向基片传输，在基片上凝聚、成核最后形成薄膜。脉冲激光沉积法制备薄膜设备原理图如图ｌ所示。图ｌ脉冲激光沉积原理示意图表ｌ应用于脉冲激光沉积法的各激光参数
激光器型号波长舡ｎ能量／Ｊ频率／】舷周期舾Ｃ０２：ＹＡＥｌＯ印Ｏ７．０１０２～３Ｎｄ：ＴＡＧ１０６４１．Ｏ２０（７—８）ｘ１０≈２ｍ谐波弱２Ｏ．５２０（５—７）×１０≈
铲谐波３５５０．２４２０（４—６）ｘ１０。３ＸｅＣｌ准分子３０８２．３２０４ｘ１０≈ＡｒＦ准分子１９３１５０（１—４）ｘ１０’３ＫｒＦ淮分子２４８ｌ５０（１～４）ｘｌＯ吨在强脉冲激光作用下，靶材在极短的时间内被加热熔化，在表面产生等离子体，沿垂直于靶材表面方向局域膨胀发射，直到基片表面凝结成薄膜，一般认为它可以分成３个过程来完成【６ｌ：１）激光与靶相互作用：高能激光作用在靶材上，靶材温度急
剧升高，在极短的时间内形成Ｋｎｕｄｓｅｎ层；２１烧蚀物的传输：当等离子体在靶材表面形成以后，等离子
体继续吸收激光能量，进一步电离，等离子体区的温度和压力迅速提高，在靶面的法线方向向外作等温绝热膨胀；∞成膜过程：薄膜的沉积过程实际上是等离子体中的粒子在基片上堆积的过程。激光烧蚀靶材产生的等离子体由于能量较高，与基片吸附后仍然有很大活性，可以与环境气氛充分反应，沉积在基片上的粒子在一个较短的时间内在基片上的可移动性很强，这有利于提高沉积薄膜的厚度和成分的均匀性。脉冲激光沉积法制备无机发
光薄膜，多采用ＡｒＦ、肿、ＸｅＣｌ和ＸｅＦ准分子激光器，其波长分别为１９３ｎＩｎ、２４８ｎｎｌ、３０８ＩＵｌｌ、３５１ｎｍ，相应的光子能量为６．４０ｅｖ、５．００ｅＶ、４．０３ｅＶ、３．５４ｅＶ。其一般输出脉冲宽度为２０ｒｌｓ左右，脉冲重复频率为１．２０Ｈｚ，靶面能量密度可达２～５Ｊ／ｃｍ２，功率密度可达１０ａ～１０９Ｗ／ｃｍ２。该方法中所用到的激光器及其参数如表ｌ所示用。
３脉冲激光沉积法制备无机发光薄膜的最新研究动态
当前，脉冲激光沉积法制备
无机发光薄膜的关键是克服薄膜
表面大颗粒的产生，提高薄膜均匀性。其中超快脉冲激光沉积法以及将传统薄膜制备方法ｆ如气相沉积、液相沉积、分子束外延法等）和脉冲激光结合而形成的新方法成为当前研究的热点。３．１超快脉冲激光沉积法
激光技术的不断发展，使得
皮秒和飞秒超快脉冲激光沉积法
制备无机发光薄膜成为可能。
１９９７年，澳大利亚的Ｇａｍａｌｙ等【７】
最早提出并设计制成了飞秒脉冲
激光沉积薄膜装置。２０００年日本
的ＭａｓａｙｕｋｉＯｋｏｓｈｉ等【８ｌ用飞秒
脉冲激光器制备了ＺｎＯ发光薄
膜，并研究了其光学和电学特性。
超快脉冲激光沉积法采用低
脉冲能量和高重复频率的方法达Ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ——————————————————————————一中国光学期刊网
４３
万方数据
光学材料Ｄｅｃ．２Ｎ００６０１２
Ｖ０１．４３．．
爨赣耥罐戮酗嚣螂嘲群韩豁醚端鞲鳋鼎髓舅隧鼯鞠鞲鲤鼬霸臻臻斟鼎龋凿醴鹱瓣甓嚣群蕊群霸鞲鞘潞瓣爨躁疆霞霞稀赣露磷嚣鳃嚣罐蹬醺蕊瞪黼鼯嚣黯蕊辩酲秘藓醒黼器露罐甄雕黧鞠撼搿嚣鞋黼露囊辩簦臻辩搿鬻臻赠醺藓黼鲻搿ｇ《籀、黼§麟撼棼麟蕊鞲穗踊９０餐到高速沉积优质无机发光薄膜的
目的，原因是：１）每个激光脉冲只
能蒸发出很少的原子，故可以相
应地阻止大颗粒的产生。高达几
十兆赫兹的重复频率可以使产生
的蒸气和衬底相互作用，补偿每
个脉冲的低蒸发率，而在整体上
得到极高的沉积速率；同时也能
有效阻止传统脉冲激光沉积法沉
积过程中由于靶材的不均匀性、
激光束的波动性及其不规律性产图３脉冲激光器气相沉积法原理图
生的大颗粒，是除用机械过滤方
法来阻止大颗粒到达基片的措施子激光引起的等离子体在脉冲法单纯依靠改变靶材控制薄膜组之外来改善薄膜表面质量的另一ＣＯ。激光尾部的高效加热作用下分的局限，图３为其原理图Ｉｌｌｌ。
个好方法。２）由于重复频率达几被高度激发，从而使“羽辉”的角１９９８年郑祥钦等吲制备了硅十兆赫兹，使每个脉冲在时间上分布增宽、薄膜的均匀区扩大。基二氧化硅薄膜，并研究了它的很近，这样，可以通过使激光束在童杏林等【ｌｏ】采用脉冲激光双蓝光发射。２００４年韩国的Ｓａｎｇ靶材上扫描、快速连续蒸发组分光束沉积系统在硅（１１１）衬底上生ＳｕｂＫｉｍｆ瑚讨论了氧气压力对不同的多个靶材制出复杂组分的长了掺Ｍｇ的ＧａＮ薄膜。研究分ＺｎＯ薄膜生长的影响，通过实验连续薄膜。析表明，该方法无需任何处理可得到最佳的制备条件。２００４年纠３．２双光束脉冲激光沉积法ｌ”直接得到掺Ｍｇ的Ｐ型ＧａＮ薄智先等ｆ１４ｌ用脉冲激光气相沉积法
双光束脉冲激光沉积法采用膜，同时双光束脉冲激光沉积法制备了ＺｎＳ薄膜，详细研究了脉两束激光同时轰击两个不同的靶可以有效抑制薄膜中小液滴ｆ０．１。冲激光能量密度、靶材与基片距材，通过控制两束激光的聚焦功１０岬）的产生。激光束在靶材上离、工作气氛、沉积温度等对发光率密度制备厚度、化学组分可调扫描并转动衬底将有效提高薄膜薄膜发光特性的影响。
的理想无机发光薄膜，其结构如均匀性，例如在１５ｃｍ直径衬底该方法的主要研究成果有：图２所示。上薄膜厚度变化可达２．３％，组分１１成膜机理的研究。Ｓｉｎｇｈ等㈣提
有报道称【９】：先用１０．６Ｉ－ｔｍ的变化可达０．５％ｔｏｌ。出了针对等离子体自由膨胀过程脉冲ＣＯ。激光使一浅层靶面熔３．３脉冲激光气相沉积法的理论模型，李智华等［１６１根据能化，紧接着用脉冲准分子激光熔脉冲激光气相沉积是一种常量平衡原理和流体动力学理论对蒸，可使Ｙ２０。薄膜中的颗粒密度用的薄膜制备法，它将传统脉冲ＫＴＮ薄膜的沉积机理进行了研减少３个数量级。不仅如此，准分激光和化学气相沉积相结合，通究，其理论计算与实验基本符合。
过脉冲激光烧蚀靶材产吕慧宾等呻也在对薄外延氧化物
生和靶材组分一致的等薄膜的生长机理进行了研究；２１
离子体，等离子体在基片沉积条件的研究，如脉冲激光的能
表面和反应气体发生化量密度、靶材和基片之间的距离、
学反应，最后沉积在基片沉积温度等；３）测控手段的不断
上形成所需的薄膜材料。提高，如目前发展起来的实时监控
该方法的优点是可以通技术，它包括高能电子衍射镜、扫
过改变通入反应气体的描电镜、原子力显微镜等。
流速来控制薄膜中各组３．４脉冲激光液相外延法
图２双光束脉７中激光沉积法原理图分的含量，突破了传统方激光液相外延法主要用于制
４４、＾ｒ、＾兀Ⅳ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ
万方数据
懿辫鞋辩麓髓荣戮黼豁嚣鬟秘ｇ燃瓣麓誊瓣鬻蒸雠赫麓鞫骥麴融篱辚臻鳇辎露辩黼黧攀黼懿螭鞲翳蘸爨黧察黼㈣；蠡黪鬻蠹錾攀躐辎耀嘲鞴戮嚣糍黼麟§蓬蘧；礁戮嚣蕊瓣鞫疆馘醇㈣女；鏊黼《搭尊瑶嗨臻黼麟辚棼螭＃辩图４脉冲激光液相法原理图
备无机纳米发光薄膜。它利用激光脉冲辐射靶材表面，产生含有中性原子、分子、活性基团以及大量离子和电子的等离子体羽辉，等离子体羽辉在一个激光脉冲周期内吸收激光能量，成为处于高温高压高密度状态的等离子体团，等离子体团与液相体系发生能量交换，并随着激光脉冲的结束而猝灭。在此过程中，体系中的活性粒子相互碰撞发生反应，生成产物与激光能量和反应条件有关。其原理如图４所示。
脉冲激光液相外延法不仅具有脉冲激光沉积法所具有的特点，而且拥有液相外延法的优势。但该方法的主要缺点是：１）晶格的错配度小于１％时才能生长出表面平滑、完整的薄膜；２）外延层的组分不仅和液相的组分有关，还和元素的分配系数有关；３１该方法对大液滴的抑制不够理想。１９９９年龚正烈等ｆｍ】采用该方法在硅基上制备了Ｎｉ—Ｐｄ—Ｐ纳米薄膜。２００４年朱杰等㈣采用脉冲激光液相法制备出浓度和均匀度相对较好的纳米硅颗粒。
３．５脉冲激光诱导晶化法
脉冲激光诱导晶化法常被用来晶化大面积非晶硅薄膜，其晶化
Ⅵｎ哪。ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ过程可以实现瞬态处理，晶化后晶
体薄膜具有较低的缺陷态密度，是
当前无机发光薄膜制备的发展方
层膜，结果表明，通过改变原始
淀积的口一硅：子层厚度，可以得
到精确可控的纳米硅颗粒尺寸，
而且晶化比率较高；荧光发射光
谱图显示，位于６５０ｉｕｎ处的发
光峰值强度随着激光辐照能量
密度的升高而增加。２００４年廖燕
平等【舶１进行了激光晶化多晶硅
的制备。
３．６直流放电辅助脉冲激光沉积法
直流放电辅助脉冲激光沉积
法的基本原理是：脉冲激光烧蚀
靶材，形成等离子体，然后通过在
等离子体运动路径上实行强电流
放电以进一步推动和加热等离子
图５脉冲激光诱导晶化法示意图
向之一，其结构如图５所示Ⅲ。
２００３年李鑫等【殂】将传统等
离子体增强化学气相沉积法制
备的无机发光薄膜，用脉冲激
光诱导晶化法处理，制备出了
高密度、尺寸可控的纳米硅量
子点薄膜，并通过实验得出最
佳的参数值，即先使用能量密
度为７７９ｍＪ／ｃｍ２的激光诱导，
然后通过９００℃常规热退火处
理３０ｒａｉｎ。图６、７分别是在该参
数下制备薄膜的原子力显微镜
照片和晶粒尺寸分布图。２００４年
乔峰等Ｉ雹】报道了脉冲激光诱导
法制备的纳米一硅／－－氧化硅多
体，同时采用磁场过滤器滤除中
性粒子，其原理如图８所示【罄】。
直流放电辅助脉冲激光沉积４５
图６薄膜的原子力显微镜照片 万方数据
Ｖ０１．４３．Ｎ０．１２光学材料Ｄ。ｃ．２００６≤㈣辩蠹滏瞪瓣鞋Ｓ耘ｉ瓣；篱｜泓爨葬麟鞴糍鳆醚斑鞠嗣嚣麟黼糍§§ｉ鳞籀§糟露疆魏耩缝骥瓣鳐黼鞭裁蓬群露鬻黼掣葛麟罐释嚣瓣鬻鹱麓戳矩姥藩囊裂蘩麟裕藩辣彰ｔ罨＿鸶鞫鼗喇毯黼箍§蓥鞋ｊ；礤肇㈣稳辩鞯翱鼬嚣霸蛹嚣鸯醐黼措ｓ聋捧口法突破传统脉冲激光沉积法的局
限，通过直流放电，提高了等离子
体的平均动能，有效降低了脉冲
激光的输出能量。２００２年郭建等
㈣报道了在不同的负直流衬底偏
压下，用脉冲激光沉积法在单晶
硅和Ｋ９玻璃衬底上沉积水晶碳
膜。２００４年童杏林等【器ｌ详细研究
了直流放电辅助脉冲激光沉积法
图７晶粒尺寸分布图
制备的硅基ＧａＮ薄膜。其结果显示，提高沉积气压有利提高ＧａＮ薄膜的结晶质量，在１５０．２２０ｍＪ入射激光脉冲能量范围内，随着入射激光脉冲能量的提高，ＧａＮ薄膜表面结构得到改善：在７００℃衬底温度、２０Ｐａ的沉积气压和２２０ｍＪ的入射激光脉冲能量的优
圈９脉冲激光分子束外延设备结构示意图
化工艺条件下，所沉积生长的
ＧａＮ薄膜具有良好的结构质量。
３．７脉冲激光分子束外延法
脉冲激光分子束外延法是一
种高精密制膜法，它集普通脉冲激
光沉积法和传统分子束外延的超
高真空精确控制原子尺度外延生
长的原位实时监控为一体，可广泛
用于高质量薄膜的制备。图９是脉
冲激光分子束外延设备的总体结
构示意图［ｍｌ，可以看出，激光分子
束外延实质上就是用脉冲激光沉
积取代了传统分子束外延核心的
束源。简单说，即激光分子束外延
是用脉冲激光沉积的方法，而工作
在分子束外延的条件。
图８直流放电辅助脉冲激光沉积法示意图
脉冲激光分子束外
延法的主要优点是［２５】：
１１生长温度底，能把诸
如扩散等不希望出现的
热激活过程减少到最
低；２）生长速率慢，外
延层厚度可以精确控
制，生长表面或界面可
以达到原子级光滑度，
因而可以制备极薄的薄
膜；３１超高真空下生长，
与溅射方法相比更容易
进行单晶薄膜生长，并为在确定条
件下进行表面研究和外延生长机
理的研究创造了条件；４）生长的薄
膜能保持原来靶材的化学计量比；
５１可以把分析测试设备，如反射式
高能电子衍射仪、四极质谱仪等与
生长系统相结合以实现薄膜生长
的原位监测。生长前真空室的真空
度最高可达到１０－ｓＰａ。
２００３年王兆阳等｛捌详细报道
了脉冲激光分子束外延法的工作
原理。２００５年贺永宁等［２７１将该技术
用于制备性能优异的ＺｎＯ薄膜。
４结束语
脉冲激光沉积法制备无机发
光薄膜目前还基本处在实验窒阶
段，国内外有关生产应用的报道
还比较少。但脉冲激光沉积法工
艺兼容性好、适应性强、沉积速率
高，是薄膜制备领域最有应用潜
力的技术之一。
当前脉冲激光沉积法所使用
的激光器，主要是小功率的准分
子激光器，它们虽然可以在一定
程度上保证薄膜的质量，但是存
在着沉积速率过低，成本高等缺
点，难以适应大尺寸、大规模薄４６
、）Ｉｎ啊．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ 万方数据
万方数据
脉冲激光沉积法制备无机发光薄膜的研究现状
作者：刘维红， 胡晓云， 张锦， 张德恺， LIU Weihong， HU Xiaoyun， ZHANG Jin， ZHANG Dekai
作者单位：刘维红,胡晓云,张德恺,LIU Weihong,HU Xiaoyun,ZHANG Dekai(西北大学物理学系,西安,710069)， 张锦,ZHANG Jin(西北大学物理学系,西安,710069;西安工业学院数理系,西安
,710038)
刊名：
激光与光电子学进展
英文刊名：LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS
年，卷(期)：2006,43(12)
被引用次数：3次
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引用本文格式：刘维红.胡晓云.张锦.张德恺.LIU Weihong.HU Xiaoyun.ZHANG Jin.ZHANG Dekai脉冲激光沉积法制备无机发光薄膜的研究现状[期刊论文]-激光与光电子学进展 2006(12)