脉冲激光沉积技术中等离子体演化及薄膜生长的模拟研究

论文摘要

脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition简称PLD）技术是当前最常用和最富有活力的薄膜制备方法之一。PLD技术制备薄膜的过程可划分为三个阶段:激光烧蚀、等离子体膨胀、薄膜沉积,整个过程包含许多复杂而有趣的物理现象,因此其机理的研究一直是人们关注的焦点。近年来,我们课题组在实验的基础上全面系统深入地研究了PLD的动力学机理。一方面,建立了能够统一描述三个阶段的自洽的动力学模型如Zhang-Li（Z-L）模型;另一方面,更多的则着重于每个阶段的物理机理和物理图像的研究。最近,随着PLD技术的超高能化和超短快化的发展趋势,如飞秒激光器的诞生,课题组的研究也逐渐转向超高能和超短快脉冲激光沉积技术的机理研究。本文的研究重点主要是,等离子体膨胀和薄膜沉积两个阶段的动力学机理和物理图像。首先在Z-L模型的基础上,利用有限差分法讨论了等离子体膨胀的动力学方程,并运用了恰当的边界条件对产生的等离子体在空间的膨胀演化过程进行了模拟,给出了在PLD技术制备KTN薄膜时烧蚀产生的主要粒子在空间的具体演化规律,对等离子体在空间膨胀的物理机制,进行了深入的讨论。首次阐明等离子体羽辉在膨胀过程中呈现椭球形状的原因是边界和初始条件决定的。对薄膜生长阶段的研究,在比较分析了PLD技术沉积薄膜与其他薄膜制备技术（如分子束外延、真空热蒸发等）沉积薄膜的各自特点的基础上,根据入射粒子流是连续流还是脉冲流的特点,提出了薄膜生长具有连续式生长和脉冲式生长两种模式,因而将目前的物理气相沉积制膜技术划分为连续沉积和脉冲沉积两大类。我们认为PLD薄膜沉积具有两大本质特征为:高能沉积和脉冲式沉积。在对PLD的物理图像分析的基础上,我们建立了Pulsed Kinetic Monte Carlo模型,分别对在薄膜生长中起关键作用的基底温度、入射粒子动能、脉冲强度、脉冲频率等重要因素进行了模拟研究。结果表明:（1）基底温度主要对薄膜生长模式及形貌有影响。基底温度在薄膜生长过程中是一个非常重要的工艺参数。它通过影响基底原子的热振动频率,进而影响基底表面吸附原子的迁移速率。基底温度越低,吸附粒子的活性越差,迁移率越低,这样生长的岛易成分形结构且形成的薄膜结构松散。反之,当吸附粒子迁移率大的时候,它就有更多的机会寻找合适的生长点,促进岛向紧致形貌生长。（2）发现PLD技术中能量粒子的入射存在两种效应:碰撞效应和增强表面粒子活性的效应。前者可以增加生长过程中的岛密度,而后者可以促进粒子在表面的迁移,促进岛的生长。二者均有利于薄膜实现二维层层（layer-by-layer）生长,使薄膜粗糙度小,表面光滑。当然,入射粒子动能大小不同,会有不同的物理现象,我们发现,对于粒子较低动能（<10eV）,碰撞效应相对比较明显;对于较高动能（102～103eV）的情况,增强粒子活性的效应占主导地位。（3）每个脉冲到达基底的粒子的总量,即脉冲强度,对岛的凝聚密度的影响主要表现在:入射脉冲强度越大,同时到达的粒子越多,粒子在扩散过程中相遇的几率就越大,因而可提高岛的密度。反之,岛的密度则会较少。（4）在考虑动能效应的情况下,我们研究发现PLD薄膜生长相对于脉冲强度的变化,呈现出的标度规律为? | logM （I,θ）|=|logI|α/G’ [|logθ|/|logI|β],这里α=β=1/3,而不是Lam模型所给出的α=β=1/4,原因是后者未考虑粒子的动能效应。（5）脉冲重复频率越小,脉冲之间的间隔时间越长,粒子将有足够的时间在基底上运动,这样岛的熟化时间（ripening time）越长,使岛的结构越紧致。反之,岛易呈现分形结构。（6）发现脉冲频率对生长岛的密度有重要的影响,岛密度可视为是脉冲频率和覆盖度的函数,尤其是发现PLD薄膜生长在相对脉冲频率变化时具有一种新的标度行为: ? log（ M （ f ,θ）） = log（ f ）αG[ log（θ） / log（ f）β],这里α=β= ? 1/4。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 脉冲激光沉积技术的工艺特点
• 1.2 PLD 技术的发展现状及展望
• 1.3 PLD 动力学的理论模型
• 1.3.1 S-N 模型
• 1.3.2 Zhang－Li（Z-L）理论模型
• 1.3.2.1 纳秒脉冲激光烧蚀靶材的研究
• 1.3.2.2 等离子体的空间膨胀
• 1.3.2.3 薄膜沉积特性
• 1.4 本文研究的主要目的和内容
• 2 薄膜生长的动力学理论及研究方法概述
• 2.1 薄膜生长动力学研究的意义
• 2.2 薄膜生长过程中的微观动力学过程
• 2.2.1 气相粒子的吸附
• 2.2.2 薄膜的形成及生长模式
• 2.3 研究薄膜生长过程的主要理论方法
• 2.3.1 分子动力学方法
• 2.3.2 动力学蒙特卡罗方法
• 2.4 重要的薄膜生长蒙特卡罗模型
• 2.4.1 Eden 模型
• 2.4.2 扩散限制聚集模型及其相关模型
• 2.4.3 改进的考虑基底温度的KMC 模型
• 2.4.4 表面反应限制聚集（Reactive Limited Aggregation ,简称RLA）模型
• 2.5 小结
• 3 等离子体膨胀过程的数值模拟研究
• 3.1 脉冲激光烧蚀产生的等离子体的特征
• 3.1.1 电子发射
• 3.1.2 离子发射
• 3.1.3 中性粒子发射
• 3.2 等离子体冲击波模型
• 3.3 脉冲激光制膜过程中等离子体速度演化规律
• 3.3.1 等离子体的速度演化规律
• 3.4 脉冲激光制膜过程中等离子体外形演化
• 3.5 小结
• 4 基底温度和入射粒子动能对PLD 薄膜生长的影响
• 4.1 连续式沉积与脉冲式沉积
• 4.2 PLD 薄膜生长的主要特征
• 4.3 PULSED KMC 模型
• 4.4 基底温度对薄膜形貌的影响
• 4.5 粒子入射动能对薄膜形貌的影响
• 4.5.1 较低动能粒子沉积对薄膜生长的影响
• 4.5.2 能量粒子沉积的微观动力学过程
• 4.6 基底温度与入射动能的影响之比较
• 4.7 小结
• 5 脉冲强度及脉冲频率对PLD 薄膜生长的影响
• 5.1 脉冲强度对PLD 薄膜生长的影响
• 5.2 脉冲强度变化时PLD 薄膜生长的标度理论
• 5.2.1 临界现象中的标度理论
• 5.2.2 PLD 薄膜生长的标度行为
• 5.3 脉冲频率对PLD 薄膜生长的影响
• 5.4 脉冲频率变化时PLD 薄膜生长的标度理论
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 本文的创新之处
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录