[发明专利]强磁场下脉冲激光沉积薄膜制备系统

说明书

技术领域

    本发明涉及薄膜材料制备领域，尤其涉及一种强磁场下的脉冲激光沉积薄膜制备系统。

背景技术

磁场作为一种理想的非接触的外场驱动力，在材料合成与制备过程中可以增加反应物的活性、促进离子扩散，影响晶粒形核、长大、晶界的迁移、再结晶等过程，甚至磁场能改变反应物的电子自旋和核自旋态，从而可能诱发新的化学反应过程、改变材料择优生长方式，获得具有新奇结构和物性的材料。材料制备中的这种磁场效应与外加磁场强度和材料的磁化率直接相关，因此，对非（弱）磁性材料的制备通常需要更强的磁场才能产生作用。强磁场下材料制备已涉及多个材料研究领域，包括金属、半导体、高聚物和功能氧化物等材料体系。目前使用的强磁场下材料制备装置大多是磁体与热处理装置的结合。例如，中国专利CN2879162公开了一种强磁场下高温热处理装置，利用该装置可进行材料熔化过程的冶物化反应、净化、精炼等处理，获得洁净度更高的熔融液，还可进行强磁场约束下材料的单向凝固，制备组织定向、均匀的材料。国外有人曾报道了在脉冲激光沉积（PLD）系统中引入磁场并进行了薄膜生长研究，该装置所使用的磁场是永磁体，安装在基片台上，结构非常简单，磁体提供的磁场强度弱（～1T），且不宜工作在高温。最近有专利公开（专利公开号：101003890）报道了在普通电磁铁所产生的磁场下采用PLD方法制备薄膜，该发明属于低磁场装置，结构简单，而且该装置中由于磁场方向与激发等离子体发射方向垂直，带电粒子在磁场下受到洛伦兹力作用而偏离原发射方向，不利于薄膜生长，因此该装置不能用作磁场下的薄膜原位沉积（生长），仅可用作在薄膜沉积后进行磁场下的后退火处理。然而，从材料生长动力学角度考虑，磁场下的原位生长比磁场下的后退火处理将产生更明显的作用和效果。由于在强磁场这一极端条件下进行薄膜沉积的特殊性以及受超导磁体腔体狭小空间的限制，迄今为止在超导磁体产生的强磁场下（～10T）的PLD薄膜原位生长系统还没有见报道和使用。

PLD薄膜制备技术最大的特点是可以在较低温度下沉积复杂成分和高熔点的薄膜以及多层复合薄膜材料，而且沉积速率高，被公认为是应用最广、最有发展潜力的薄膜制备技术之一。强磁场下的PLD薄膜沉积系统，实际上是强光场和强磁场两种极端条件的结合，将对薄膜生长动力学和热力学过程产生复杂而微妙的影响。在脉冲激光沉积过程中施加强磁场，磁场的作用不仅体现在薄膜本身的形核与生长过程中，同时磁场效应还将影响到由强激光作用靶材后激发等离子体的形成、热膨胀发射等过程，从而影响薄膜的生长，获得新奇结构和性能的薄膜材料。此外，磁场与所沉积薄膜的膜面的取向同样对薄膜的生长和性能起到重要的影响作用。因此，本发明将在材料科学、凝聚态物理研究以及新材料探索等方面有重要应用。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于PLD薄膜制备技术的在强磁场下脉冲激光沉积薄膜制备系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种强磁场下脉冲激光沉积薄膜制备系统，包括真空室和高真空机组，真空室内的真空度由所述的高真空机组控制，真空室上有石英玻璃窗口，所述的真空室中安装靶台和基片台，控制电源控制基片台加热，一准分子脉冲激光器放置在所述的真空室外，其产生的脉冲激光经过一聚焦透镜和一反射镜后，经过所述的石英玻璃窗口照射到靶材上，所述的真空室放在一超导磁体镗孔内，所述的基片台置于磁场中心区域，所述的靶台可以是单靶位也可以是多个靶位，靶台位置可升降、靶位可切换，靶台的自转和基片台的转动由位于真空室外侧的步进电机控制，所述的聚焦透镜和反射镜的位置随着靶台位置的变动而作相应的调整，通过反射镜的微小角度的摆动，实现光束一维扫描，结合靶位的转动实现光束面扫描。

所述的超导磁体为短腔卧式无液氦电制冷超导磁体，磁场强度0到15特，磁场均匀度±0.1% (1cm DSV) 、±4% (Φ5cm ×10cm圆柱)，磁体镗孔孔径（室温孔径）Φ200mm，腔长约650mm；所述的准分子脉冲激光器波长248nm，脉冲能量400mJ，平均功率6W，最大频率20Hz，脉冲宽度20ns。

所述的靶台的升降和靶位转换采用金属波纹管直接转轴方式实现；靶台与所述的基片台的距离为70mm到30mm之间可调。