为什么激光可以制造高温超导薄膜

 在光学元件的表面，一般都镀有一层光学薄膜，目的是改善它的光学性能。如镀上高反射率膜，就可以提高元件反射光的能力；镀上增透膜就可以减少表面对光的反射能力，而增加光束透过元件的能力。薄膜更是现代微电子器件制造的基础，像集成电路、光盘，它们都需要在基质上镀一层薄膜。高温含铜氧化物超导体发现后，新型超导体器件的发展，也离不开薄膜技术。在基底材料上镀上一层薄膜的技术有蒸发技术、测射技术、热化学气相淀积技术、分子束外延技术和化学外延技术等。现在，在这个技术领域中又引进激光技术，发展了两种镀膜新技术，即脉冲激光淀积技术和激光诱导化学气相淀积技术，通过这两种技术能制造出质量更好的薄膜来。早在 1963 年，人们把激光束照射到固体材料靶时，就发现有电子、离子和中性原子从固体靶表面跑出来，并且在表面附近形成一个发光的等离子区。随后有人想到，如果将这些固体表面跑出来的原子（离子） 在衬底上凝结，就可得到薄膜。这是用激光进行镀膜的初期概念。到 1965 年，科学家成功地用激光制成了光学薄膜。在 80 年代初，主要是利用近红外波段的激光，比如 Nd∶YAG 激光和CO2 分子激光照射固体靶进行镀膜。这种激光镀膜，其性质类似于使用电子束打击靶材料作蒸发镀膜，未见到用激光镀膜有多大的优越性。直到1987 年，人们开始用输出短波长激光的激光器（比如输出波长 193 纳米的 ArF 准分子激光器、输出波长 248 纳米的 KrF 准分子激光器）镀膜， 制备出了高质量的 YBCO 和 BiSrCaCuO 高温超导薄膜。目前世界上有一半以上的高温超导薄膜是用这种方法制出来的。随着镀膜技术的不断发展， 人们也探讨了这种镀膜技术的基本原理，总结了它的优越性和发展潜力。由于原子的电子吸收波长大多数是在短波长区，即固体靶材料对脉冲短波长激光强烈吸收，入射到靶面的激光被反射的很少，大部分被吸收掉。吸收了激光能量的靶材料温度很高，迅速升到蒸发温度以上。蒸发大量原子、电子和离子，形成一个等离子体。随后继续往固体靶入射的激光能量在通过这等离子体区时，被它强烈吸收。吸收了激光能量的等离子体温度开始急剧上升，体积迅速膨胀。等激光脉冲结束后，膨胀后的等离子体迅速冷却，其中的原子就在靶对面衬底上凝结起来，形成了薄膜。用这个办法镀膜的优点有好几个方面： 1．只要入射的激光能量密度超过一定数值（它称为蒸发阈值能量密度，一般为 0.10～0.40 焦耳／厘米 2），各种元素都有相同的脱出率； 而且蒸发出来的各种元素在空间有相同的分布规律。所以，得到的薄膜成分和靶材料的一样，这个性质使得这种镀膜方法很适合用来制备多元化合物薄膜。特别是用来制造高温氧化物超导薄膜，如高质量的 Y 系、Bi 系和 Te 系高温超导薄膜。从靶材料表面蒸发出来的粒子，绝大多数沿着与靶表面垂直的方向前进，与激光入射的方向无关。所以，只要把衬底放在靶材料正前方就能够获得均匀的薄膜。镀膜时靶材料消耗量少，靶材也可以做得很小，原则上只要比入 射的激光束光斑大一点即可。像制备稀有金属的薄膜或贵金属薄膜用这种方法就很不错。它不需要坩埚，避免了坩埚的污染，也不出现其他的污染。另外，它还有镀膜速率高等优点。还有一种激光镀膜技术叫做激光诱导化学气相淀积，它使用的镀膜材料不是固体的，而是气体混合物，选用的激光波长应是气体原子或分子的强度吸收波长。如果使用的是紫外小组段的激光，激光波长应是在原子（或分子）的电子吸收带上；如果用的是近红外波段的激光，所用的激光波长应是在分子的振—转吸收带。这样就能让原子或分子在吸收了激光能量以后，可以发生有效的光分解反应。这种镀膜技术是基于对气体原子、分子光分解形成的原子淀积在基底上而形成膜的，所以镀什么元素的薄膜，一般就选含这种元素的气体分子化合物做镀膜原料。用激光诱导气相淀积方法制造薄膜也有它的长处，首先，它是通过光分解过程来实现在衬底上淀积镀膜材料，没有加热源，所以可以使衬底保持在比较低的温度，避免材料因温度升高而导致性能发生变化或结构上发生变化；其次，可以有选择性地在某个微小区域上淀积，做到不用掩膜版，而用激光直接进行淀积制造集成电路。