[实用新型]基于飞秒脉冲激光沉积生长微纳米结构薄膜的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲激光沉积技术，特别涉及一种基于飞秒脉冲激光高效率的、超稳定的、安全可靠的沉积生长周期性阵列微纳米结构薄膜的新方法及其装置，属于薄膜材料技术领域。

背景技术

由于信息、能源、生物技术、军事等的迅速发展，元器件微型化、智能化、高集成性、高密度存储和超快传输等特性，使得应用材料的尺寸越来越小。航空航天、国防装备以及先进制造技术使得材料的性能和结构都趋于极端化。因此，新型材料的研究必然是未来科学发展的重要课题和基础。微纳米薄膜材料是一种新型材料，由于其特殊的结构特点，使其作为功能材料和结构材料拥有很大的发展前景。

脉冲激光沉积技术(Pulsed Laser Deposition简称PLD)是20世纪80年代后期发展起来的一种新型薄膜制备技术。人们发现当用激光照射固体材料时，有电子、离子和中性原子从固体材料表面溅射出来，并在其附近形成一个发光的等离子体区；随后有人想到，若能使这些粒子在衬底上凝结，就可得到薄膜，这就是激光镀膜的概念。微纳米薄膜材料由于其特殊的光学、电学性能而备受青睐，但制备它的可控性较低，难以生长，且生长效率较低。脉冲激光沉积技术与传统的薄膜生长方法相比，它是一种新的原位处理技术，比分子束外延法、气相外延法和液相外延法等能更高效地生长氧化物、半导体以及铁电等薄膜晶体材料，它可使薄膜以复杂的原比例化学计量比单层生长；并通过调节脉冲激光沉积生长基片的温度，可以控制生长薄膜的结晶度的高低。但在传统的脉冲激光沉积过程中，通过入射脉冲激光聚焦到密闭高真空沉积室内的靶材上，并溅射出等离子体颗粒，再沉积在基片上而生成薄膜，此薄膜表面难免会因为溅射的等离子体颗粒不均匀而产生一些大小不一的液滴等团簇颗粒，影响薄膜的平整度、光滑度和均匀性；而且溅射出的等离子体颗粒会对已生长的薄膜产生冲击破坏作用，导致薄膜中出现各种缺陷。此外，由传统的脉冲激光沉积技术生长的薄膜结构比较单一，虽然可通过调节基片温度和改变基片类型来控制生长薄膜的结晶尺度大小，但并不能够生长出的周期性阵列微纳米结构薄膜。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述现有技术中所存在的缺陷和不足，而提出一种基于飞秒脉冲激光沉积生长周期性阵列微纳米结构薄膜的新方法及其装置；该方法是在传统纳秒脉冲激光沉积技术基础上，在基片表面增加掩模而生长的周期性阵列薄膜，再将生长了薄膜的基片浸泡在浸泡液中，即可高效地生长出周期性阵列微纳米结构薄膜；并可通过调节激光沉积系统中基片的温度来改变薄膜材料的结晶特性，从而制备出多种晶体结构的微纳米薄膜。实现本发明方法的装置其结构简单，稳定可靠。

本发明的基本思路是：设计一种基于飞秒脉冲激光沉积技术生长出微纳米薄膜，然后将生长的微纳米薄膜进行后期浸泡处理而生长出周期性阵列微纳米结构薄膜的新方法，以及提供实现该新方法的装置。该方法是在传统脉冲激光沉积系统中，利用入射飞秒脉冲激光束与靶材相互作用产生的等离子体颗粒，等离子体颗粒经过掩模过滤后在基片表面快速沉积生长成周期性阵列薄膜，再将生长了薄膜的基片置于浸泡液中，即可生长出周期性的阵列微纳米结构薄膜。实现该方法的装置包括飞秒激光系统、光学快门、衰减器、1/2波片、偏振器、透镜，激光沉积系统中的真空腔及入射窗、靶材及靶材夹持器、掩模、基片及基片夹持器、真空泵及装浸泡液容器。按照光路描述，来自飞秒激光系统的飞秒脉冲激光光束垂直入射后，经光学快门改变脉冲重复数；经衰减器调节飞秒脉冲激光光束单脉冲能量；通过1/2波片改变激光线偏振方向；接着经偏振器，检验飞秒激光线偏振方向；最后经透镜聚焦并通过真空腔的入射窗入射到真空腔内的靶材表面溅射出等离子体颗粒，经掩模过滤后沉积在基片表面，即生长出周期性阵列结构薄膜。按照沉积过程描述，首先将各元器件安装连接好，靶材和基片分别固定在靶材夹持器和基片夹持器上，再将掩模固定在基片表面，真空泵将真空腔抽真空至小于10^-4Pa，然后将基片夹持器加热至400℃～800℃，打开真空腔入射窗，入射的飞秒脉冲激光束聚焦在靶材表面，溅射出的等离子体颗粒经过掩模过滤后沉积在基片表面，即生长出周期性阵列结构薄膜。待该薄膜生长10～60分钟后，取出基片，置于装浸泡液的容器中浸泡，浸泡时间2-3周，即可生长出周期性阵列微纳米结构薄膜。本发明装置稳定可靠，操作简单方便、薄膜制备效率高，可大批量生产周期性阵列微纳米结构薄膜。

为实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明一种基于飞秒脉冲激光沉积生长周期性阵列微纳米结构薄膜的方法，包括以下操作步骤：