激光辐照提高镧钡锰氧薄膜性能的方法

摘要

一种激光辐照提高镧钡锰氧薄膜性能的方法，属功能薄膜领域。PLD制备的La1－xBaxMnO3薄膜，TCR为4％，退火处理时间长，TCR值提高不明显。本发明步骤：将清洗干净的基片干燥后置于真空室内的硅板加热器上；保持5×10－4Pa～2×10－4Pa，700℃～850℃，氧气流动压5～80Pa，准分子激光轰击La0.67Ba0.33MnO3靶材；沉积结束后降至室温；将制备的薄膜置于旋转平台上，以35～60W/cm2激光辐照10～120秒。激光辐照后，薄膜的转变温度提高至340K，TCR值提高至8.8％K－1 (307K)，成本降低，效率提高，有利于工业化生产；薄膜表面粗糙度降低。

说明书

技术领域

本发明属功能薄膜技术领域。

背景技术

自从1993年，人们在La-Ba-Mn-O中发现巨大的磁电阻效应以来，La基锰氧化物La_1-xA_xMnO₃(A＝Ca，Ba，Sr)得到了广泛的研究。这类材料的一个显著特点是随温度降低在居里温度T_P发生顺磁到铁磁的相变，同时伴随着从绝缘体到金属的相变。这一特性可用于研制探测光热辐射等的传感元件，如测辐射热仪(Bolometer)。

测辐射热仪，就是根据感受到的外界光、热辐射变化(热、辐射)所导致的敏感元件的微小温度变化来改变器件输出的某种电信号，如电阻。此类探测器实际上是扩展了人眼的视觉范围，尤其在红外、远红外电磁辐射探测方面更为突出。基于此类探测器的红外探测系统、夜视系统、安保监控系统和电子对抗系统在军事国防上有着重要的应用；热成像系统、生物医学影像、天文学、遇难营救、森林防火以及环境探测等在工商业领域也有着广泛的应用。近年来，工业、农业、民用和国防建设等方面对这类探测器的需求日益增多，因而研制灵敏度高且价格低廉的新型材料成为当前研究的热点。目前国际上用于室温条件下测量测辐射热仪采用电阻温度系数(TCR)大的材料，如V_xO_y、热释电材料等。V_xO_y虽然可工作于室温，但TCR值较小，一般仅为2～4％；热释电材料虽然响应速度较快，但却是以降低灵敏度为代价的。目前，灵敏度最好的测辐射热仪是超导测辐射热仪(superconducting bolometer)，但是由于超导材料转变温度的限制，使其必须配备昂贵的低温系统，从而使生产成本大大提高。镧钡锰氧薄膜(La_1-xBa_xMnO₃，x＝0.33)由于具有较高的温度电阻系数TCR＝1/R·dR/dT，且温度范围接近室温，因而在测辐射热仪的研发方面具有很大优势。

镧钡锰氧薄膜属于多元素化合物薄膜，通常采用脉冲激光沉积(PulsedLaser Depositon，PLD)的薄膜制备技术来确保这一体系的薄膜材料与其体材成分一致。然而，PLD技术制备的La_1-xBa_xMnO₃薄膜，TCR一般为4％左右，而利用传统的高温退火处理不但时间长，而且对于提高LBMO薄膜的TCR值效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提供一种高效，快速提高镧钡锰氧薄膜性能的方法。

一种激光辐照提高镧钡锰氧薄膜性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将清洗干净的基片，进行干燥后置于真空室内的硅板加热器上；将真空室抽至5×10^-4～5×10^-5Pa后，硅板加热器升温至700℃～850℃，且真空室内真空保持在5×10^-4Pa～2×10^-4Pa；向真空室内充入氧气，使真空室内的流动氧压保持在5～80Pa；利用准分子激光轰击La_0.67Ba_0.33MnO₃靶材；薄膜沉积结束后，硅板在1小时内降至室温；

2)激光辐照：将制备的薄膜置于旋转平台上，平台以10°～60°/S的转速旋转，在60-240秒之内将激光功率密度逐渐调节到35～60W/cm²，功率密度保持10～120秒后，在60～300秒之内将激光功率密度逐渐降至零。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)激光辐照大大提高了薄膜的性能。激光辐照后，La_0.67Ba_0.33MnO₃薄膜的转变温度从324K提高到了340K，TCR值提高到了8.8％K^-1(307K)，(2)激光辐照时间极短，使生产成本降低，生产效率提高，有利于工业化生产；(3)激光辐照后，La_0.67Ba_0.33MnO₃薄膜表面粗糙度降低，表面更加平滑。

附图说明：

图1是本发明按实施例1获得的La_0.67Ba_0.33MnO₃薄膜的电阻-温度关系曲线；

图2是本发明按实施例2所制La_0.67Ba_0.33MnO₃薄膜的温度电阻系数-温度关系曲线；

图3是本发明按实施例3制备的La_0.67Ba_0.33MnO₃薄膜的原子力显微镜图：a未激光辐照薄膜的二维平面图；b未激光辐照薄膜的三维立体图；c激光辐照薄膜的二维平面图；d激光辐照薄膜的三维立体图。

另注：附图1和2中均有使用传统PLD方法制备薄膜和经传统高温退火处理后薄膜的相应对照图例。

具体实施方式：

下面结合实施例进一步详细说明：

实施例1：

(1)清洗基片：①依次用丙酮、无水乙醇超声清洗基片；②超声清洗完后，再用去离子水反复冲洗，干燥后，将基片置于硅板加热器上；

(2)系统抽真空及硅板加热：将真空室真空抽至5×10^-5Pa，然后加热硅板，边抽真空边加热，使硅板温度升至700℃并使真空室内压强保持在2×10^-4Pa；

(3)薄膜沉积：当硅板温度达到700℃且真空室内压强为2×10^-4Pa后，向真空室充入氧气，使真空室保持5Pa的流动氧分压，待系统稳定后，准分子激光轰击La_0.67Ba_0.33MnO₃多晶靶材；

(4)降温：沉积结束后，硅板在1小时内降至室温。

(5)激光辐照退火：将制备的薄膜置于旋转平台之上，利用额定功率为150W的CO₂激光器进行辐照。设定旋转平台的转速为10°/S，在60秒内将激光功率密度从0调节到35W/cm²，然后保持120秒，最后将激光功率密度在180秒内降为零。

请参阅图1所示，为按实施例1制备的镧钡锰氧薄膜(La_0.67Ba_0.33MnO₃)薄膜的温度电阻关系曲线；从图中可以看出，经激光辐照后，LBMO薄膜的转变温度T_P从324K提高到了340K，与经过传统的高温长时间退火工艺获得的T_P相同，所用时间却极大的减少。

实施例2：

(1)清洗基片：①依次用丙酮、无水乙醇超声清洗基片；②超声清洗完后，再用去离子水反复冲洗，干燥后，将基片置于硅板加热器上；

(2)系统抽真空及硅板加热：将真空室真空抽至5×10^-4Pa，然后加热硅板，边抽真空边加热，使硅板温度升至750℃并使真空室内压强保持在5×10^-4Pa；

(3)薄膜沉积：当硅板温度达到750℃且真空室内压强为5×10^-4Pa后，向真空室充入氧气，使真空室保持30Pa的流动氧分压，待系统稳定后，用准分子激光轰击La_0.67Ba_0.33MnO₃多晶靶材；

(4)降温：沉积结束后，硅板在1小时内降至室温。

(5)激光辐照退火：将制备的薄膜置于旋转平台之上，利用额定功率为150W的CO₂激光器进行辐照。设定旋转平台的转速为40°/S，在180秒内将激光功率密度从0调节到50W/cm²，然后保持80秒，最后将激光功率密度在60秒内降为零。

请参阅图2所示，为按实施例2制备的镧钡锰氧薄膜的温度电阻系数一温度关系曲线；从图中可以看出，利用传统的高温长时间退火工艺，LBMO薄膜的TCR值提高并不显著，而经过激光辐以后，LBMO薄膜的TCR提高了两倍多，从3.5％K^-1提高到了8.8％K^-1，且温度范围接近室温。

实施例3：

(1)清洗基片：①依次用丙酮、无水乙醇超声清洗基片；②超声清洗完后，再用去离子水反复冲洗，干燥后，将基片置于硅板加热器上；

(2)系统抽真空及硅板加热：将真空室真空抽至3x10^-4Pa，然后加热硅板，边抽真空边加热，使硅板温度升至850℃并使真空室内压强保持在3×10^-4Pa；

(3)薄膜沉积：当硅板温度达到850℃且真空室内压强为3×10^-4Pa后，向真空室充入氧气，使真空室保持80Pa的流动氧分压，待系统稳定后，用准分子激光轰击La_0.67Ba_0.33MnO₃多晶靶材；

(4)降温：沉积结束后，硅板在1小时内降至室温。

(5)激光辐照退火：将制备的薄膜置于旋转平台之上，利用额定功率为150W的CO₂激光器进行辐照。设定旋转平台的转速为60°/S，在240秒内将激光功率从0调节到60W/cm²，然后保持10秒，最后将激光功率密度在300秒内降为零。

请参阅图3所示，为按实施例3制备的La_0.67Ba_0.33MnO₃薄膜的原子力显微镜图。利用传统PLD技术，Ra＝3.169nm；R_P-V＝39.41nm；Rms＝4.396nm；激光辐照后，Ra＝1.650nm；R_P-V＝13.66nm；Rms＝2.079nm。其中，Ra和Rms是利用两种不同算法计算得到的表征薄膜表面粗糙度的参数；Rp-v表征薄膜表面峰-谷之间的距离。