PLD技術(shù)在功能薄膜材料研究中的應(yīng)用

2．鐵電薄

鐵電薄膜是在鐵電記憶、壓電、熱釋電和介電等集成器件中有重要應(yīng)用的一種功能薄膜。由于鐵電薄膜成分的復(fù)雜性，原有的制備薄膜方法難以制備出滿足要求的薄膜，限制了其研究和應(yīng)用。PLD由于其可以保持靶材化學(xué)計(jì)量比的優(yōu)點(diǎn)，已成為制備鐵電薄膜的重要手段。用傳統(tǒng)的濺射法、溶膠一凝膠法(sol-Gel)以及有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等方法制備的壓電材料薄膜都有很大的局限，如沉積速率低，基片處理溫度高等，而且還必須采用特另Ⅱ制備的原材料。而采用PLD技術(shù)則可克服這些限制，沉積出高度C軸取向的PZT等材料薄膜。為了克服PZT薄膜在極性轉(zhuǎn)換中容易疲勞的現(xiàn)象，1999年，B．H．Pauk等又利用PLD法成功制備了BLT(Lanthanum—subSTituted bismuth titanate)薄膜。湖北大學(xué)的顧豪爽等人也用XeCI準(zhǔn)分子激光器制備出BST薄膜，厚度400nm，介電常數(shù)為300，損耗為0．015，漏電流密度為2×1010A／ClTl2，表現(xiàn)出良好的電性能。采用PLD方法在鐵電薄膜／襯底及鐵電薄膜／電極之間添加緩沖層，制備多層膜和外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，來(lái)改善鐵電薄膜的電性能，防止鐵電薄摸的老化、電阻特性的退化以及器件的疲勞和失效等方面，也取得了一些滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3．超巨磁電阻(CMR)薄膜

自從1993年Helmolt等在LaBaMn03薄膜中觀察到了巨大(i05％-106％)的負(fù)磁阻效應(yīng)后，引起了物理、計(jì)算機(jī)、材料和自動(dòng)控制等領(lǐng)域的眾多科學(xué)家的極大興趣。傳統(tǒng)的制備方法(磁控濺射)薄膜的結(jié)晶性很差。而PLD方法屬于非平衡制膜方法，通過(guò)引入各種氣體可以使薄膜的結(jié)晶性變好。而沉積溫度低可以避免高溫對(duì)基片材料的熱損傷而降低器件的性能。香港科技大學(xué)的M．F．Li，K．H．Wong利用XeCl準(zhǔn)分子激光器制備出了Ti／Si基薄膜，具有大的巨磁電阻效應(yīng)。西北工業(yè)大學(xué)的高國(guó)棉等人【17l用PLD方法制備出了LCSMO系列薄膜。衡量材料GMR性能的兩個(gè)最基本參數(shù)是： (1)在一定溫度下所能達(dá)到的最大GMR值； (2)獲得最大GMR效應(yīng)所需施加的飽和外磁場(chǎng)強(qiáng)度。GMR與飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值稱(chēng)為磁場(chǎng)靈敏度。巨磁電阻效應(yīng)材料要獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是開(kāi)發(fā)既具有低的飽和場(chǎng)，又具有高的GMR效應(yīng)的合金系統(tǒng)。研究和開(kāi)發(fā)室溫磁場(chǎng)靈敏度高的GMR磁性薄膜材料是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的重要任務(wù)。

4．半導(dǎo)體薄膜

寬禁帶Ⅱ-Ⅳ族半導(dǎo)體薄膜一直被認(rèn)為是制作發(fā)射藍(lán)色和綠色可見(jiàn)光激光二極管和光發(fā)射二極管首選的材料。Ⅱ一Ⅵ族半導(dǎo)體在固體發(fā)光、紅外、激光、壓電效應(yīng)等器件方面有著廣泛應(yīng)用前景。半導(dǎo)體薄膜傳統(tǒng)的制備方法主要是通過(guò)分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延(MOVOE)合成。近年來(lái)人們對(duì)PLD法制備半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行了廣泛研究。

W．P．Shen等人利用PLD法分別在InP和GaAs襯底上生長(zhǎng)出了ZnS、ZnSe、CdS、CdSe,和CdTe納米薄膜。S．Ito等人采用PLD法以熱壓GaN粉末為靶材，以N2為背景氣體，在MnO襯鹿上沉積生長(zhǎng)了GaN薄膜。D．Cole等人分別以N2和NH。為背景氣體，以冷壓成型后燒結(jié)的GaN作為靶材，在藍(lán)寶石襯底上均獲得纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN薄膜，而且在NH3氣氛中得到的GaN薄膜具有較低的電阻率。J．Ohta等人分別以壓制的GaN靶和熱壓了的AIN粉為靶材，以AIN作為緩沖層，在藍(lán)寶石襯底上沉積生長(zhǎng)了GaN薄膜，研究還發(fā)現(xiàn)AIN緩沖層引起GaN薄膜極性的變化。PLD法制備ZnO薄膜的研究也受到科研工作者的廣泛關(guān)注，開(kāi)展了大量的研究工作，何建廷綜述了采用PLD法制備的ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)襯底溫度、退火溫度、背景氣氛壓力、薄膜厚度、沉積時(shí)間、襯底、激光能量密度和重復(fù)頻率等因素來(lái)進(jìn)行控制。

四、結(jié)束語(yǔ)

脈沖激光沉積方法能夠?qū)崿F(xiàn)材料“化學(xué)計(jì)量比”的轉(zhuǎn)移，并且具有沉積溫度低、操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在高溫超導(dǎo)薄膜、磁性薄膜、鐵電薄膜，有機(jī)薄膜等方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，在沉積金屬單質(zhì)薄膜和功能梯度薄膜方面也有研究者在開(kāi)展探索性研究工作。伴隨著脈沖激光沉積及新興的激光分子束外延技術(shù)的完善，脈沖激光制膜將會(huì)在高質(zhì)量的納米半導(dǎo)體薄膜超晶格和新型人工設(shè)計(jì)薄膜的研究方面得到迸一步的發(fā)展，同時(shí)能加快薄膜生長(zhǎng)機(jī)理的研究和提高薄膜的應(yīng)用水平，加速材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的研究進(jìn)程。