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激光脉冲沉积(PLD)的历史背景

2021.4.18

  早于1916年,爱因斯坦(Albert Einstein)已提出受激发射作用的假设。可是,首次以红宝石棒为产生激光媒介的激光器,却要到1960年,才由梅曼(Theodore H. Maiman)在休斯实验研究所建造出来。总共相隔了44年。使用激光来熔化物料的历史,要追溯到1962年,布里奇(Breech)与克罗斯(Cross)利用红宝石激光器,汽化与激发固体表面的原子。三年后,史密斯(Smith)与特纳(Turner)利用红宝石激光器沉积薄膜,视为脉冲激光沉积技术发展的源头。

  不过,脉冲激光沉积的发展与探究,处处受制。事实上,当时的激光科技还未成熟,可以得到的激光种类有限;输出的激光既不稳定,重复频率亦太低,使任何实际的膜生成过程均不能付诸实行。因此,PLD在薄膜制作的发展比其它技术落后。以分子束外延(MBE)为例,制造出来的薄膜质量就优良得多。

  往后十年,由于激光科技的急速发展,提升了PLD的竞争能力。与早前的红宝石激光器相比,当时的激光有较高的重复频率,使薄膜制作得以实现。随后,可靠的电子Q开关激光(electronic Q-switches lasers)面世,能够产生极短的激光脉冲。因此,PLD能够用来做到将靶一致蒸发,并沉积出化学计量薄膜。由于紫外线辐射,薄膜受吸收的深度较浅。之后发展出来的高效谐波激光器(harmonic generator)与激基分子激光器(excimer)甚至可产生出强烈的紫外线辐射。自此以后,以非热能激光熔化靶物质变得极为有效。

  自1987年成功制作高温的Tc超导膜开始,用作膜制造技术的脉冲激光沉积获得普遍赞誉,并吸引了广泛的注意。过去十年,脉冲激光沉积已用来制作具备外延特性的晶体薄膜。陶瓷氧化物(ceramic oxide)、氮化物膜(nitride films)、金属多层膜(metallic multilayers),以及各种超晶格(superlattices)都可以用PLD来制作。近来亦有报告指出,利用PLD可合成纳米管(nanotubes)、纳米粉末(nanopowders),以及量子点(quantum dots)。关于复制能力、大面积递增及多级数的相关生产议题,亦已经有人开始讨论。因此,薄膜制造在工业上可以说已迈入新纪元。

  

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