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脉冲激光沉积与自旋电子学正文：1，脉冲激光沉积简介脉冲激光沉积薄膜是近年来发展起来的使用范围最广，最有希望的制膜技术通过从激光与材料相互作用理论出发，分析了激光 烧蚀材料等离子体羽辉的空间运动特征与成分分布，以LCMO为对 象，对PLD系统脉冲激光沉积薄膜过程中薄膜质量与衬底温度、靶 材-衬底距离、氧压、激光脉冲能量、激光频率等参数关系进行了实研究，得出在单晶衬底上沉积LCMO薄膜的最佳实验参数同时用XRD衍射谱和SEM分别对膜的成键情况和表面形貌作了分析，结 果表明脉冲激光沉积（PLD）是一种很好的镀膜方法，所制备的膜质 量较好1 PLD系统概述 脉冲沉积系统一般由脉冲激光器、光路系统（光阑扫描器、会聚透镜、 激光窗等）；沉积系统（真空室、抽真空泵、充气系统、靶材、基片加 热器）；辅助设备（测控装置、监控装置、电机冷却系绚 等组成（如 1所示）图］PLD镀膜设备示意图1. 1 PLD原理 整个PLD镀膜过程通常分为三个阶段1. 1. 1激光与靶材相互作用产生等离子体激光束聚焦在靶材表面, 在足够高的能量密度下和短的脉冲时间内，靶材吸收激光能量并 使光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上而产生高温及烧蚀，靶材汽化蒸发，有原子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。

这些被蒸发出来的物质反过来又继续和激光相互作用，其温度进一步提高，形成区域 化的高温高密度的等离子体，等离子体通过逆韧致吸收机制吸收 光能而被加热到104K以上，形成一个具有致密核心的明亮的等 离子体火焰1. 1. 2等离子体在空间的输运（包括激光作用时的等温膨胀和激光 结束后的绝热膨胀）等离子体火焰形成后，其与激光束继续作用，进一步电离， 等礼子体的温度和压力迅速升高，并在靶面法线方向形成大的温 度和压力梯度，使其沿该方向向外作等温（激光作用时）和绝热（激 光终止后）膨胀,此时，电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电 场在这些极端条件下，高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间，迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉1. 1. 3等离子体在基片上成核、长大形成薄膜激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面，使其产生不同程度 的辐射式损伤，其中之一就是原子溅射入射粒子流和溅射原子之间 形成了热化区，一且粒子的凝聚速率大于溅射原子的飞溅速率，热化 区就会消散，粒子在基片上生长出薄膜这里薄膜的形成与晶核的形 成和长大密切相关而晶核的形成和长大取决于很多因素，诸如等离 子体的密度、温度、离化度、凝聚态物质的成分、基片温度等等。

随 着晶核超饱和度的增加，临界核开始缩小，直到高度接近原子的直径, 此时薄膜的形态是二维的层状分布1.2PLD特点 脉冲激光沉积技术是目前最有前途的制膜技术,该技术简单且有很多 优点⑴ 可对化学成分复杂的复合物材料进行全等同镀膜，易于保证镀膜 后化学计量比的稳定与靶材成分容易一致是？1的最大优点，是区别于其他技术的主要标志⑵反应迅速，生长快通常情况下一小时可获1Lm左右的薄膜⑶ 定向性强、薄膜分辩率高 能实现微区沉积⑷ 生长过程中可原位引入多种气体，引入活性或惰性及混合气体对 提高薄膜质量有重要意义5)易制多层膜和异质膜，特别是多元氧化物的异质结，只需通过简 单的换靶就行6)靶材容易制备不需加热，等离子能量高能量大于10eV ,离子能 量1000eV左右，如此高的能量可降低膜所需的衬底温度，易于在较 低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜⑺高真空环境对薄膜污染少可制成高纯薄膜;羽辉只在局部区域运 输蒸发，故对沉积腔污染要少地多8)可制膜种类多，几乎所有的材料都可用PLD制膜，除非材料对该 种激光是透明的同时PLD技术也存在一些缺点，主要表现在:① 脉冲瞬间沉积时不能避免产生液滴及大小不一的颗粒的形成.会 以大的团簇形状存留在膜中，影响膜的质量;② 薄膜厚度不够均匀.融蚀羽辉具有很强的方向性，在不同的空间 方向，等离子体羽辉中的粒子速率不尽相同，使粒子的能量和数量的 分布不均匀；③ 等离子局域分布难以形成大面积的薄膜。

2. 在PLD中准分子激光相对于其它激光的优点目前PLD制备薄膜所使用的激光器大多是准分子激光器和N d: YAG激光器由于N d: YA G激光与材料之间有热消融作用[4 ],这会使材料的消融区出现伸展裂纹，有可见的热损害,而不是PLD制备薄膜的最理想激光光源准分子激光器的发射波长几乎都 在200~ 400nm之间，光子能量大符合薄膜沉积的需要这是因为 吸收系数随着光波长的变短而趋于增加，大多数用于薄膜沉积的材 料在此光谱区间都表现出了强烈的吸收特性，而使激光进入靶材的 穿透深度变小，靶材被溅射的表面层厚度也将变小同时，在短 波段的强烈吸收还有助于溅射流阈值的降低但是，当激光光波长小匚=>于200nm时，分子氧的Schumann2Runge带吸收将变强，导致了 色心的出现，使得溅射工作变得困难，靶材也将受到损坏目前使用 较多 的是工作气体为KrF、波长为248nm的准分子激光其他准分子激 光的工作气体及其光波波长(nm )分别为：Kr2: 145、F2: 157、Xe2:172、A rF: 193、KrCl:222、XeCl: 308、XeF: 351 等镀膜操作过程镀膜工艺 流程为：清洗衬底—安装靶材—放置衬底—抽真空一衬底加热一充 氧一沉积薄膜一退火。

关键步骤如下: ⑴分子泵抽真空：直到真空度小于10- 4Pa时，才达到镀膜要求真 空度低时会引入杂质2) 对衬底加热：在抽真空过程中，应边抽边缓慢地增加衬底温度，直到衬底温度达到沉积膜时需要的温度，同时用红外测温仪对衬底 温度进行实时监控3) 开机械泵管阀充氧：让流入的氧与被机械泵抽出去的氧达到动态 平衡4) 沉积薄膜：同时打开靶自转开关让靶自转,就可打开激光开始沉 积薄膜，沉积时间为20m in.(5) 退火：待沉积薄膜时间到时，关闭激光器，设定退火温度和退火 氧压，此时就开始缓慢退火，退火时间一般为1h.待退火时间到时,匚=>缓慢地降低温度到室温，然后关氧，关电源，完成镀膜过程3. 3镀膜中的关键因素及最佳参数3. 3. 1衬底温度是决定薄膜质量好坏的最关键因素，给衬底加 热有利于颗粒在膜上加快迁移，有利于结晶若衬底温度低，沉积原 子还来不及排列好，又有新的原子到来，则往往不能形成单晶膜；若 温度甚低，原子很快冷却，难以在衬底上迁移，这样会形成非晶薄膜若衬底温度过高，则热缺陷大量增加，也难以形成单晶膜实验 得出800°C是最好的沉积温度3. 3. 2靶材与基底的距离距离太远时羽辉中的离子就会复合 成大颗粒；太近时羽辉的离子能量大、速度快就会把膜和衬底打 坏。

实验表明距离为4cm时，效果较好3. 3. 3氧压和退火温度等离子羽辉中的氧离子会结合成氧气跑掉，充氧压的目的就是为了补充薄膜中缺失的氧但氧压不宜过高, 过高的氧压会使溅射产生的粒子经受大量的碰撞而散射，使其失去大部分能量退火时温度太低不利于薄膜重新结晶且氧不能很好地补匚=>充进去；温度太高时，已形成的薄膜会分解实验得出氧压取30Pa 比较理想3. 3. 4靶材的致密度致密度要高，若太疏松就会把大块和大颗 粒打下，来造成膜的粗糙和不均匀，影响膜的质量3. 3. 5激光能量能量太低产生不了溅射或者溅射少沉积速度 慢,随着能量的增加薄膜沉积速率、粒子平均尺寸、等离子体羽辉得 空间分布也随之改变，能量过大时会有大颗粒出现，薄膜表面光洁度 降低实验中取400mJ比较好3. 3. 6激光频率频率太高时沉积在膜上的颗粒还未运动开来, 下一批溅射的颗粒已落下来，这样就会造成堆积从而形成不均匀膜;频率太低时，间隔时间长杂质就会进入薄膜，降低膜的质量实验中一般 取4Hz.自旋电子学及其器件应用二、自旋电子学自1994年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学 科而倍受科学界和电子工业界的关注，具有广阔的应用前景。

自旋电 子学的出现被称为是1999年物理学界十大重大事件之一，它的研究已经成 为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点, 并将成为本世纪信息产业的基础，对未来的电子工业发 展将起到举足轻重的作用作为现代信息产业基本元素的半导体器件，是以电子（或空穴）的电荷特征来传递信息，而电子自旋由于随机取向，因而不携带信息 具体地说，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的 取向混乱，因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够 了自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，它将通 过操纵电子自旋来进行信息处理随着微加工技术和大规模集成电路 的发展，电子器件的尺寸越做越小，当尺度在纳米范围内，自旋在很 多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性 好等因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取 得了巨大的成绩，如利用巨磁电阻（GMR）效应做的磁头用在计算 机（2000年世界硬盘的产量已达2亿台）硬盘存储上，使记录密 度由1988年的50Mb/in 发展到.2003年的100Gb/in2，提高了千倍之多。

这充分表明了GMR是未来外存储器市场最重要的类型产品，它将促 进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益此外，利用GMR 效应制备的磁随机存取存储器（MRAM）作为计算机内存芯片将是下 一步推进计算机技术发展的一场革命，并有可能取代半导体芯片1999~2001年，美国的旧M、摩托罗拉，德国的infineon等公司先后 研制成功了实用的MRAM芯片我国对自旋电子学的研究主要集中在GMR材料和物理以及过渡 族氧化物材料的超大磁电阻效应方面在高灵敏度传感器和硬盘磁头 研究中均包含创新性的工作2、GMR磁头和传感器通常金属中的磁电阻都很小，在1%~3%左右而在铁磁）非铁磁） 铁磁金属多层膜结构中获得的磁电阻已达18%~24%，比通常金属的M^大的多，因此被称为巨磁电阻（GMR）GMR产生机制起因 于两边铁磁层中电子的磁化（磁矩）方向，当电子通过与电子平均 自由路程相当的纳米铁磁薄膜时启旋磁矩的取向与薄膜磁化方向相 一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子 难以通过，从而使磁电阻发生很大的变化构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀它的基本结构是 两边为铁磁层，中间为由非铁磁层构成的多层膜。

其中，一边的铁 层矫顽力大，磁矩固定不变，称为钉扎层；而另一层铁磁层为自由层由于钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致GMR元 件的电阻值改变从而使读出电流发生变化通过降低自由层的厚度, 可提高磁头和传感器的灵敏度目前用这种GMR磁头，可以读出 100Gbpi面记录信息1995年，在铁磁）绝缘体）铁磁的夹层薄膜结 构上观测到室温隧穿磁电阻TMR效应，并获得高达40%的磁电阻变 化率，是TMR效应的数倍因此，灵敏度检测得到了进一步的提高 目前，科学家们正在积极研究和开发这ftTMR元件实际上，磁头 是一种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器利用磁电 阻（MR）效应工作的传感器除了用作磁记录读出磁头外，还在检测 电流、旋转角度、位置、位移等方面得到广泛应用但运用GMR元 件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件要高一个数量级，因此更易集成化且可靠 性更高它还可以制成传感器阵列，用来表述通行车辆，飞机机翼、 建筑防护装置、跟踪地磁场的异常现象等目前，GMR磁传感器在 液压汽缸位置传感，真。