特定气氛中的脉冲激光烧蚀及其在薄膜制备上的应用

摘要

该文的研究对象是真空和多种背景气氛中的PLA的过程和由此引发的PLA等离子体特性,以及以特定气氛中PLA为基础的、活性源辅助的脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)的方法和机理,并尝试将此方法应用于若干种薄膜材料的合成制备.采用空间和时间分辨的光谱测量和分析方法研究了脉冲激光对铜靶烧蚀所引发的铜等离子体的时空特性和动力学过程,包括对PLA铜等离子体的产生、等离子体及其中激光烧蚀产物的时间演变和空间分布的观察和探讨.通过活性气氛中的PLA、利用激光烧蚀产物易于与背景气氛中的活性气相物质发生反应的特点,开展了电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)微波放电等离子体和辉光放电原子束这两种活性源辅助的脉冲激光沉积方法的技术探索,并选择多种Ⅲ族氮化物和B-C-N系化合物薄膜为对象材料进行了应用尝试,实现了常温下AlN、GaN、BC、BCN和CN<,x>等多种薄膜材料的制备.分别用真空中的PLD和ECR微波放电等离子体辅助的脉冲激光沉积(ECR-PLD)方法、以烧结AlN和高纯金属铝为靶材料,合成制备了AlN薄膜,以B<,4>C烧结靶为原材料、分别以PLD和ECR-PLD方法开展了BC薄膜和BCN薄膜的制备.得到的BC薄膜中B和C的原子比约3:1,并含有约10﹪的O杂质,衬底加温可以改善BC薄膜的结构.在ECR氮等离子体的辅助下得到的BCN薄膜中的含N量高达46.1﹪,O杂质减少到5.6﹪,B、C、N三元素的组份比B:C:N约为3:1:3.8,并形成了以sp<'2>杂化的六角氮化硼(h-BN)为主体、包含其他大量无定型结构的三元化合物,在1.4μm-1.7μm近红外波段还具有较高的透射率.以石墨为靶材料,利用ECR-PLD方法合成制备了高N含量的CN<,x>薄膜,当衬底加有-50V的偏置电压时得到的CN<,x>薄膜中N的含量高达53﹪,并考察了不同衬底偏压、也即不同能量的N等离子体束流的影响.基于强激光与物质相互作用的脉冲激光沉积和由此引发的等离子体在材料的处理制备和元器件的制作方面有广泛而成功的应用,也具有明显的优越之处,而对其听过程机理的研究相对滞后.该论文对特定气氛特别是活性气氛中的脉冲激光烧蚀以及以此为基础的活性载能源辅助的脉冲激光沉积的过程机理作了一些探讨.具有特定功能的薄膜材料是制作先进元器件的基础,而性能优异的功能薄膜的制备有赖于先进的薄膜制备技术.随着元器件向着微型化、集成化方向的发展趋势,材料的薄膜化以及对薄膜制备技术的要求也越来越高.该论文结合过程机理的研究探讨,利用PLD可以与不同的辅助手段灵活结合的特点开展了薄膜材料制备新方法的摸索,并成功地应用于多种薄膜的合成制备.

目录

第一章绪言

1.1脉冲激光烧蚀和沉积的发展背景

1.2Ⅲ族氮化物

1.3硼-碳-氮系材料

1.4本文主要内容和结构

参考文献

第二章脉冲激光烧蚀和活性源辅助脉冲激光沉积方法

2.1脉冲激光烧蚀和脉冲激光沉积的基本特征

2.2ECR等离子体辅助脉冲激光沉积

2.2.1ECR等离子体

2.2.2ECR等离子体辅助脉冲激光沉积

2.3原子束辅助脉冲激光沉积

2.3.1辉光放电和弧光放电

2.3.2辉光放电原子束辅助脉冲激光沉积

2.4离子束辅助脉冲激光沉积

参考文献

第三章激光烧蚀铜等离子体的时空特征

3.1激光烧蚀等离子体的研究意义和诊断

3.2时空积分和分辨的等离子体光谱测量系统

3.3真空中铜等离子体光谱的时空特征

3.3.1等离子体连续谱

3.3.2离子和原子发射谱线

3.3.3离子和原子发射谱的时空特征

3.4非活性背景气体对铜等离子体光谱的的影响

3.4.1背景气体对等离子体光谱时间特征的影响

3.4.2背景气体对等离子体光谱空间特征的影响

3.4.3背景气体对等离子体发光粒子运动速度的影响

3.5脉冲激光烧蚀铜等离子体动力学

3.6小结

参考文献

第四章Ⅲ族氮化物AlN和GaN薄膜的制备

4.1引言

4.2以烧结AlN和金属Al为靶材料制备AlN薄膜

4.2.1制备和表征方法

4.2.2实验结果和分析

4.2.3薄膜中杂质O的来源和ECR-PLD方法的优点

4.3AIN薄膜的光致发光

4.4ECR-PLD方法制备GaN薄膜

4.4.1制备和表征方法

4.4.2实验结果和分析

4.4.3关于As的讨论

4.5小结

参考文献

第五章BC薄膜和BCN薄膜的制备

5.1引言

5.2 BC薄膜

5.2.1制备和表征方法

5.2.2实验结果和分析

5.3 BCN薄膜

5.3.1制备和表征方法

5.3.2实验结果和分析

5.4 小结

参考文献

第六章CNx薄膜的制备

6.1引言

6.2 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积CNx薄膜

6.2.1制备和表征方法

6.2.2薄膜的元素成分和化学结构

6.2.3衬底偏压的影响

6.3原子束辅助脉冲激光沉积制备CNx薄膜

6.3.1制备和表征方法

6.3.2实验结果和分析

6.3.3关于晶态的讨论

6.4小结

参考文献

第七章总结

后记

论文独创性声明和论文使用授权声明