[发明专利]一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置及用其制备低维材料的方法

说明书

本发明提供一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置及用其制备低维材料的方法。所述装置包括激光器、加热系统、生长室、真空系统、冷却系统、载气系统、排气系统。激光器用于产生高能激光束，激光束与源材料靶材作用形成等离子体羽辉。生长室是一密封的Y型管，可先后或同时进行各种物理/化学反应。加热系统采用多温区管式炉可控加热方法，为生长室中材料生长提供所需的高温环境。本发明可先后、可同时进行脉冲激光沉积和化学气相沉积，可调节控制激光、温度、气压、反应气体等，分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构等材料的生长，材料体系可覆盖氧化物、半导体、金属及其复合结构等。

技术领域

本发明涉及薄膜生长、异质结以及纳米线材料与材料生长领域。更具体地，涉及一种脉冲激光辅助化学气相沉积的材料生长设备及结合脉冲激光沉积法和化学气相沉积法分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构等材料的生长。

背景技术

功能材料应用十分广泛，涉及信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域，从大规模集成电路、电子元器件、平板显示器、信息记录与存储、传感器和光伏太阳能电池，涉及高新技术产业的各个方面。随着材料科学研究的深度和广度不断发展，为了提升功能材料的性能，深入研究功能材料的本征性质与结构，改进和发展新的工艺是其中关键的一部分。功能材料的生长具有重要的意义。脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)是相对低成本来生长高质量材料的两种方法。

脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)是一种物理气相沉积的薄膜生长工艺，利用聚焦后的高功率脉冲激光在真空腔体中轰击靶材，将靶材气化成等离子体，在衬底上沉积形成薄膜。其优点是可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜，易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜及异质结，激光的高能量可以沉积难熔材料，灵活的换靶装置便于实现多层膜异质结及超晶格膜的生长。但是PLD很难进行大面积薄膜的均匀沉积，由于衬底处电阻丝加热的局限使得沉积的温度难以升到1000℃，另外通入反应气体则会污染腔体。

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是一种生产纯度高、性能好的固态材料的化学工艺。将衬底暴露在一种或多种不同的前驱物下，在衬底表面发生化学反应来产生欲沉积的材料，在电子工业应用广泛。其优点是可以在相对高的真空下反应，可以容易得到可控的化学计量比的材料，有相对高的沉积速率，可得到多层膜、异质结和纳米结构等材料的生长，并且可以实现掺杂。蒸发源由于达不到PLD激光的温度，故高熔点材料的生长受到局限，质量比不上PLD。

将激光脉冲沉积和化学气相沉积两种材料生长方法很好的的结合在一起，融合各自的优点，分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构的外延生长，是本发明的主要内容。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，可以先后或者同时进行脉冲激光沉积和化学气相沉积，可以调控激光、温度、气压和反应气体等实现利用物理/化学的方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构的外延生长。

本发明要解决的第二个技术问题是提供实现使用上述系统制备薄膜、异质结以及纳米结构材料的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，该系统包括激光器、加热系统、生长室、真空系统(4)、冷却系统(26)、载气系统和排气系统(27)；所述激光器产生的激光射入生长室；所述生长室与真空系统、载气系统和排气系统(27)连通，所述冷却系统(26)和生长室、真空系统(4)连接，所述冷却系统、真空系统(4)、载气系统和和排气系统可单独关闭和打开。