[發明專利]一種脈沖激光輔助化學氣相沉積生長系統裝置及用其制備低維材料的方法

有效

• 申請號: 201510450147.5
• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN106702352B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 張金星;宋創業
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: C23C16/48
• 分類號: C23C16/48
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張文祎

本發明提供一種脈沖激光輔助化學氣相沉積生長系統裝置及用其制備低維材料的方法。所述裝置包括激光器、加熱系統、生長室、真空系統、冷卻系統、載氣系統、排氣系統。激光器用于產生高能激光束，激光束與源材料靶材作用形成等離子體羽輝。生長室是一密封的Y型管，可先后或同時進行各種物理/化學反應。加熱系統采用多溫區管式爐可控加熱方法，為生長室中材料生長提供所需的高溫環境。本發明可先后、可同時進行脈沖激光沉積和化學氣相沉積，可調節控制激光、溫度、氣壓、反應氣體等，分別或同時利用物理/化學方式達到高質量多組分的薄膜、異質結及納米結構等材料的生長，材料體系可覆蓋氧化物、半導體、金屬及其復合結構等。

技術領域

本發明涉及薄膜生長、異質結以及納米線材料與材料生長領域。更具體地，涉及一種脈沖激光輔助化學氣相沉積的材料生長設備及結合脈沖激光沉積法和化學氣相沉積法分別或同時利用物理/化學方式達到高質量多組分的薄膜、異質結及納米結構等材料的生長。

背景技術

功能材料應用十分廣泛，涉及信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域，從大規模集成電路、電子元器件、平板顯示器、信息記錄與存儲、傳感器和光伏太陽能電池，涉及高新技術產業的各個方面。隨著材料科學研究的深度和廣度不斷發展，為了提升功能材料的性能，深入研究功能材料的本征性質與結構，改進和發展新的工藝是其中關鍵的一部分。功能材料的生長具有重要的意義。脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition)和化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)是相對低成本來生長高質量材料的兩種方法。

脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition,PLD)是一種物理氣相沉積的薄膜生長工藝，利用聚焦后的高功率脈沖激光在真空腔體中轟擊靶材，將靶材氣化成等離子體，在襯底上沉積形成薄膜。其優點是可以生長和靶材成分一致的多元化合物薄膜，易于在較低溫度下原位生長取向一致的織構膜和外延單晶膜及異質結，激光的高能量可以沉積難熔材料，靈活的換靶裝置便于實現多層膜異質結及超晶格膜的生長。但是PLD很難進行大面積薄膜的均勻沉積，由于襯底處電阻絲加熱的局限使得沉積的溫度難以升到1000℃，另外通入反應氣體則會污染腔體。

化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)是一種生產純度高、性能好的固態材料的化學工藝。將襯底暴露在一種或多種不同的前驅物下，在襯底表面發生化學反應來產生欲沉積的材料，在電子工業應用廣泛。其優點是可以在相對高的真空下反應，可以容易得到可控的化學計量比的材料，有相對高的沉積速率，可得到多層膜、異質結和納米結構等材料的生長，并且可以實現摻雜。蒸發源由于達不到PLD激光的溫度，故高熔點材料的生長受到局限，質量比不上PLD。

將激光脈沖沉積和化學氣相沉積兩種材料生長方法很好的的結合在一起，融合各自的優點，分別或同時利用物理/化學方式達到高質量多組分的薄膜、異質結及納米結構的外延生長，是本發明的主要內容。

發明內容

本發明要解決的第一個技術問題是提供一種脈沖激光輔助化學氣相沉積生長系統裝置，可以先后或者同時進行脈沖激光沉積和化學氣相沉積，可以調控激光、溫度、氣壓和反應氣體等實現利用物理/化學的方式達到高質量多組分的薄膜、異質結及納米結構的外延生長。

本發明要解決的第二個技術問題是提供實現使用上述系統制備薄膜、異質結以及納米結構材料的方法。

為解決上述第一個技術問題，本發明采用下述技術方案：

一種脈沖激光輔助化學氣相沉積生長系統裝置，該系統包括激光器、加熱系統、生長室、真空系統(4)、冷卻系統(26)、載氣系統和排氣系統(27)；所述激光器產生的激光射入生長室；所述生長室與真空系統、載氣系統和排氣系統(27)連通，所述冷卻系統(26)和生長室、真空系統(4)連接，所述冷卻系統、真空系統(4)、載氣系統和和排氣系統可單獨關閉和打開。