[发明专利]一种薄膜组分在薄膜表面方向连续变化的多激光沉积薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种薄膜组分在薄膜表面方向连续变化的多激光沉积薄膜的方法，该方法采用多激光束同时烧蚀不同靶材，形成相应等离子体，所有激光烧蚀点呈直线排列，位于这些等离子体前方的衬底直接地接收各种粒子，在其表面形成组分比例不均匀的多组分薄膜。由于激光烧蚀靶材形成的等离子体极不均匀，呈圆锥形连续渐变分布，因此衬底上的多组分薄膜在衬底表面上呈现表面不同位置各组分含量连续渐变的分布形态：越接近多激光束产生的等离子体的合成中心，各组分含量越接近；越靠近某一激光束产生的等离子体的轴线，该激光束烧蚀的靶材组分在膜层中的含量越高，保证了多组分薄膜内部组分比例连续变化的有序性和一个方向上的均匀性，便于测试和分析。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，具体地说，涉及一种薄膜组分在薄膜表面方向连续变化的多激光沉积薄膜的方法。

背景技术

脉冲激光沉积功能薄膜，其原理在于利用高能脉冲激光烧蚀靶材，形成高能粒子流，即等离子体，这些高能粒子飞行到衬底表面，冷凝形成功能薄膜。由于等离子体分布呈高斯或类高斯状，空间分布极不均匀，因此，衬底上的膜层不均匀。这一特点是阻碍激光沉积技术制备大面积功能薄膜工程应用的障碍之一，但它也为实现薄膜组分薄膜表面方向连续变化的简单方法提供了有利条件。相关专利记载了利用激光沉积技术的这一特点，固定单束激光烧蚀位置不变，而多个靶材通过间歇性公转被激光束依次烧蚀，衬底则随着靶材的更换而改变接收位置，以保证形成每种材料形成的等离子体在衬底上都有一个固定的对应点；通过循环以上操作，最终获得组分薄膜表面方向连续变化的薄膜。这种方法存在以下几点缺点：第一，对设备自动化要求较高，由于循环次数极多，靠人工实现很不现实；第二，对衬底自转的角度精度要求非常高，如果自转的角度精度偏低，在极多次循环中，等离子体中心在衬底上的对应点位置将不能重复，从而导致组分变化规律紊乱；第三，由于靶材公转所需的机械运动时间远大于材料在激发态化合的时间，使得多种材料形成各自膜层后很难再进行有效地化合作用，因此这种方法只适合应用于多组分混合物薄膜的制备，不适合应用于多组分化合物薄膜的制备。中国发明专利《用于批量合成复合材料的多元脉冲激光沉积系统和方法》(专利申请号201510046669.9)也利用类似思想，只不过是固定衬底与靶材不动，而采用外部光路变换的办法使激光束可以烧蚀不同靶材。这种方法也存在以上三个类似问题，即对设备自动化要求较高、对外部光路的机械运动精度要求极高、很难实现多组分化合物薄膜的制备。

发明内容

本发明为了克服现有薄膜制备技术不能制备表面方向连续变化薄膜的问题，提供了一种可实现薄膜组分沿薄膜表面方向连续变化的多激光沉积方法，本方法采用多激光束同时烧蚀靶材的设计，可使等离子体中心与衬底上对应区域一维运动，保证了多组分薄膜内部组分比例连续变化的有序性和一个方向上的均匀性，便于测试和分析。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种薄膜组分在薄膜表面方向连续变化的多激光沉积薄膜的方法，包括如下步骤：

(1)清洗衬底；

(2)调试激光：衬底放置在靶材前方，启动激光器，发射2～3束激光束，经聚焦分别烧蚀真空室内相应数量的靶材，产生各自相应的等离子体，调整各激光束在对应靶材上的烧蚀位置，呈直线分布，调整结束后关闭激光器；

(3)沉积：在真空条件或者一定气压的环境气氛下，使用2～3束激光光束，分别烧蚀对应的靶材，并调整各激光束的参数，使脉冲激光束照射在靶材表面，沉积1～200min从而在衬底上沉积出薄膜表面方向组分连续变化的薄膜；所述衬底沿垂直于激光烧蚀点连线的方向做往复直线运动，往复频率低于脉冲激光重复频率十分之一以下。

其中，所述步骤(1)中，衬底可以是一个，也可以是处于同一平面上的若干个衬底。

所述步骤(2)中，所需数量的激光束可以是相应台数激光器同时发射实现，也可以是少于所需激光束数量的1台或多台激光器同时发射、而后全部或部分激光束经过分束实现。