PLD技术在功能薄膜材料研究中的应用

2．铁电薄

铁电薄膜是在铁电记忆、压电、热释电和介电等集成器件中有重要应用的一种功能薄膜。由于铁电薄膜成分的复杂性，原有的制备薄膜方法难以制备出满足要求的薄膜，限制了其研究和应用。PLD由于其可以保持靶材化学计量比的优点，已成为制备铁电薄膜的重要手段。用传统的溅射法、溶胶一凝胶法(sol-Gel)以及有机化学气相沉积(MOCVD)等方法制备的压电材料薄膜都有很大的局限，如沉积速率低，基片处理温度高等，而且还必须采用特另Ⅱ制备的原材料。而采用PLD技术则可克服这些限制，沉积出高度C轴取向的PZT等材料薄膜。为了克服PZT薄膜在极性转换中容易疲劳的现象，1999年，B．H．Pauk等又利用PLD法成功制备了BLT(Lanthanum—subSTituted bismuth titanate)薄膜。湖北大学的顾豪爽等人也用XeCI准分子激光器制备出BST薄膜，厚度400nm，介电常数为300，损耗为0．015，漏电流密度为2×1010A／ClTl2，表现出良好的电性能。采用PLD方法在铁电薄膜／衬底及铁电薄膜／电极之间添加缓冲层，制备多层膜和外延异质结构的方法，来改善铁电薄膜的电性能，防止铁电薄摸的老化、电阻特性的退化以及器件的疲劳和失效等方面，也取得了一些满意的实验结果。

3．超巨磁电阻(CMR)薄膜

自从1993年Helmolt等在LaBaMn03薄膜中观察到了巨大(i05％-106％)的负磁阻效应后，引起了物理、计算机、材料和自动控制等领域的众多科学家的极大兴趣。传统的制备方法(磁控溅射)薄膜的结晶性很差。而PLD方法属于非平衡制膜方法，通过引入各种气体可以使薄膜的结晶性变好。而沉积温度低可以避免高温对基片材料的热损伤而降低器件的性能。香港科技大学的M．F．Li，K．H．Wong利用XeCl准分子激光器制备出了Ti／Si基薄膜，具有大的巨磁电阻效应。西北工业大学的高国棉等人【17l用PLD方法制备出了LCSMO系列薄膜。衡量材料GMR性能的两个最基本参数是： (1)在一定温度下所能达到的最大GMR值； (2)获得最大GMR效应所需施加的饱和外磁场强度。GMR与饱和磁场强度的比值称为磁场灵敏度。巨磁电阻效应材料要获得广泛应用的一个关键问题，是开发既具有低的饱和场，又具有高的GMR效应的合金系统。研究和开发室温磁场灵敏度高的GMR磁性薄膜材料是凝聚态物理和材料科学领域的重要任务。

4．半导体薄膜

宽禁带Ⅱ-Ⅳ族半导体薄膜一直被认为是制作发射蓝色和绿色可见光激光二极管和光发射二极管首选的材料。Ⅱ一Ⅵ族半导体在固体发光、红外、激光、压电效应等器件方面有着广泛应用前景。半导体薄膜传统的制备方法主要是通过分子束外延(MBE)和金属有机化学气相外延(MOVOE)合成。近年来人们对PLD法制备半导体薄膜进行了广泛研究。

W．P．Shen等人利用PLD法分别在InP和GaAs衬底上生长出了ZnS、ZnSe、CdS、CdSe,和CdTe纳米薄膜。S．Ito等人采用PLD法以热压GaN粉末为靶材，以N2为背景气体，在MnO衬鹿上沉积生长了GaN薄膜。D．Cole等人分别以N2和NH。为背景气体，以冷压成型后烧结的GaN作为靶材，在蓝宝石衬底上均获得纤锌矿结构的GaN薄膜，而且在NH3气氛中得到的GaN薄膜具有较低的电阻率。J．Ohta等人分别以压制的GaN靶和热压了的AIN粉为靶材，以AIN作为缓冲层，在蓝宝石衬底上沉积生长了GaN薄膜，研究还发现AIN缓冲层引起GaN薄膜极性的变化。PLD法制备ZnO薄膜的研究也受到科研工作者的广泛关注，开展了大量的研究工作，何建廷综述了采用PLD法制备的ZnO薄膜的结晶质量、光学和电学性质可以通过衬底温度、退火温度、背景气氛压力、薄膜厚度、沉积时间、衬底、激光能量密度和重复频率等因素来进行控制。

四、结束语

脉冲激光沉积方法能够实现材料“化学计量比”的转移，并且具有沉积温度低、操作简单，适用范围广的优点，在高温超导薄膜、磁性薄膜、铁电薄膜，有机薄膜等方面已经有广泛的应用，在沉积金属单质薄膜和功能梯度薄膜方面也有研究者在开展探索性研究工作。伴随着脉冲激光沉积及新兴的激光分子束外延技术的完善，脉冲激光制膜将会在高质量的纳米半导体薄膜超晶格和新型人工设计薄膜的研究方面得到迸一步的发展，同时能加快薄膜生长机理的研究和提高薄膜的应用水平，加速材料科学和凝聚态物理学的研究进程。