激光辅助CVD技术的原理及其制备先进材料的研究进展

1、1/22,激光辅助CVD技术的原理及其制备先进材料的研究进展,姓名：XXX 学号：2013XXXXX5 专业：材料学,2020/7/11,2/22,技术难题与前景展望,4.,研究进展,3.,基本原理,2.,引言,1.,主要内容,2020/7/11,3/22,引言,传统化学气相沉积(CVD),2020/7/11,4/22,LCVD,可用作成膜的材料范围广,局部选区精细定域沉积,膜层纯度高,夹杂少,不需掩膜沉积,沉积温度低,引言,2020/7/11,5/22,基本原理,光热联合LCVD,光解LCVD,热解LCVD,LCVD,2020/7/11,6/22,热解LCVD设备,由反应室、工作台、抽气系统

2、、供气系统和激光系统等组成,1 张魁武. 激光化学气相沉积（连载之一）J. 金属热处理, 2007, 32(6): 118-126,图1 热解LCVD装置图1,2020/7/11,7/22,热解LCVD原理,在聚焦的激光光束照射下，基体局部表面温度升高，处在基体加热区的反应气体分子受热发生分解，形成自由原子，聚集在基体表面成为薄膜生长的核心。,2 John F. Ready. LIA hand book of laser materials processing M. New York: LIA, 1998,图2 热解LCVD机理示意图2,2020/7/11,8/22,光解LCVD设备,激光束

3、在稍高于基体表面平行入射,图3 光解LCVD装置图2,光解LCVD所选激光波长应能被反应气体分子高效吸收其能量，从而使反应气在激光辐照下发生高效率分解，实现高速率沉积。,2020/7/11,9/22,直写式LCVD设备,包括激光器、导光和聚焦系统、运动工作台、供气系统、反应室和计算机控制系统,图4 直写式LCVD设备2,2020/7/11,10/22,研究进展,LCVD应用,1,薄膜制备,超细粉末制备,2,碳纳米管制备,3,2020/7/11,11/22,薄膜制备-碳膜,Sub title,LCVD,CVD技术，利用光纤刻蚀过程中的热能裂解碳氢气体，最终在纤维表面沉积碳涂层,为提高光纤在复杂恶

4、劣环境中的性能，常在玻璃纤维表面沉积一层碳膜，来有效地密封光纤，防止氢和水渗入纤维内部，进而减少了信号衰减和纤维强度损失,普通CVD沉积区域温度波动大，难沉积高质量的密封层！,2020/7/11,12/22,薄膜制备-碳膜,Kwok3等人使用波长10.6 m的连续波CO2激光器，在LCVD反应器中沉积了碳膜：基体吸收激光的能量并产生局部的热表面，当碳氢气体流过反应区域时，基体表面附近的反应气体裂解形成一层薄的碳层 。,图5 制备的碳涂层的SEM照片3,3 King Hong Kwok, Wilson K.S. Chiu. O pen-air carbon coatings on fused q

5、uartz by laser-induced chemical vapor deposition J. Carbon, 2003, 41: 673-680.,2020/7/11,13/22,薄膜制备-金刚石膜,金刚石薄膜因其在力学、热学、光学及电学等方面的优异特性, 在高技术和各种工业领域有着十分广阔的应用前景。CVD 法生长的金刚石薄膜的质量较高，成为制备金刚石薄膜的首选方法。,4 任德明, 胡孝勇, 刘逢梅, 赵景山, 王楠楠, 马祖光. 激光辅助化学气相沉积金刚石薄膜实验研究 J. 1998, 9(6): 446-449.,任德明4等人采用LCVD法合成了厚度为15m的金刚石薄膜。结果表

6、明，以丙酮作为碳源，用308 nm XeCl 准分子激光解离，H2用灯丝预先解离，基片温度在600-1000时，可在Si衬底上制备出高质量的金刚石薄膜。,由于激光诱导化学反应的选择性, LCVD法不仅具有低温、低损伤、低淀积气压、堆积速度高、膜均匀等优点, 而且气相反应产物简单, 生长条件易控制, 有利于机理研究。,2020/7/11,14/22,薄膜制备-电介质膜,Y2O3薄膜,Y2O3薄膜以其高的介电常数和与Si之间良好的相容性被认为是很有潜力的可替代SiO2的介电材料。而且，由于Y2O3化学稳定性好，在腐蚀环境中可以有效地保护半导体硅片。,使用传统CVD工艺制备的Y2O3薄膜沉积速率太低

7、，通常只有每小时几微米。,5 Takashi Goto, Ryan Banal, Teiichi Kimura. Morphology and preferred orientation of Y2O3 film prepared by high-speed laser CVD J. Surface & Coatings Technology, 2007, 201: 5776-5781.,Goto5等人采用LCVD制备了Y2O3薄膜，其沉积速率可达300m/h，大约是常规CVD的100-1000倍。,引入LCVD,2020/7/11,15/22,薄膜制备-电介质膜,SiO2薄膜,致密的SiO2

8、膜能被用于抗氧化/抗腐蚀涂层，而多孔SiO2膜可以被用于气体分离等。,2010年，Endo6等人使用高能连续波Nd: YAG激光器，以正硅酸乙酯为前驱体，成功制备了致密的、树枝状以及多孔SiO2薄膜。针对这三种不同形貌的SiO2薄膜，最大沉积速率分别可达1200m/h，22000m/h，28000m/h。,6 Jun Endo, Akihiko Ito, Teiichi Kimura, Takashi Goto. High-speed deposition of dense, dendritic and porous SiO2 films by Nd:YAG laser chemical va

9、por deposition J. Materials Science and Engineering B, 2010(166): 225229.,2020/7/11,16/22,金膜沉积设备使用连续波Ar离子激光器，基体浸入含金的液体介质中，保持基体表面在液面以下1mm左右。基材可为Al、Si、Al2O3、金刚石7。 用直写式液体灌封LCVD得到优质铝薄膜：把基体硅放在密封反应室内，浸没在三异丁铝（TIBA）液膜中。氩离子激光束通过石英窗口入射，通过TIBA液体薄膜照射基体表面8。,7 Park B S, Malshe A P, Mnyshondt A. et a1The effects o

10、f substrate properties on metal coatings from liquid medium by reactive laser depositionJ. Surface and Coatings Technology, 1999, 115: 201-207 8 Chen Qijun, Susan Allen. Laser direct writing of alumiun conductor lines from a liquid phase precursorA. Mats. Res. Symp. Proc. C. 1996: 637-642,LCVD在金属薄膜的

11、制备中得到广泛应用，例如：,薄膜制备-金属膜,2020/7/11,17/22,YBa2Cu3O7-（YBCO）是一种高温超导体，为了提高其超导性能，研究者开发了多种制备YBCO薄膜的工艺。Zhao9等人使用LCVD法成功制备了YBCO薄膜。其最高沉积速度可达100m/h，是常规MOCVD的10-1000倍。 最近，Guo10等人利用LCVD法在Pt/Ti/SiO2/Si基体上制备了单晶Ba2TiO4薄膜，为Ba2TiO4陶瓷在电学和光学领域的应用提供了新的思路。,9 Pei Zhao, Akihiko Ito, Rong Tu, Takashi Goto. High-speed prepara

12、tion ofc-axis-oriented YBa2Cu3O7- film by laser chemical vapor deposition J. Materials Letters, 2010, 64: 102104. 10 Dongyun Guo , Takashi Goto, Chuanbin Wang, Qiang Shen, Lianmeng Zhang. High-speed growth of (103)-oriented Ba2TiO4 film by laser chemical vapor deposition J. Materials Letters, 2012,

13、70: 135 137.,LCVD对于制备一些具有特殊性能的薄膜涂层有显而易见的优势：,薄膜制备-其他薄膜,2020/7/11,18/22,最近，Hidalgo11等人发展了一种新的LCVD方法制备了立方和六方BN纳米结构。环硼氮烷作为先驱体，同时被一次和二次YAG激光激发。所得BN的产率大约83%。,11 A.Hidalgo, V.Makarov, G.Morell, B.R.Weiner. High-Yield Synthesis of Cubic and Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles by Laser Chemical Vapor Decom

14、position of Borazine J. Dataset Papers in Nanotechnology, Volume 2013, ArticleID 81672,5 pages,目前，LCVD 主要用来制备多元素的非金属与金属间化合物以及非金属与非金属间化合物的纳米材料，它能制备几纳米至几十纳米的晶态或非晶态纳米微粒。,超细粉末制备,2020/7/11,19/22,碳纳米管制备,Kwok12等人以金钯纳米颗粒作为催化剂，采用开放式LCVD工艺在熔融的石英棒上成功生长了碳纳米管。 Rahmanian13等人以乙炔、氢气混合物为前驱体，通过LCVD在包覆有多壁催化剂层（Fe/Al/Cr

15、）的石英表面制备了碳纳米管。,12 Kinghong Kwok, Wilson K.S. Chiu. Growth of carbon nanotubes by open-air laser-induced chemical vapor deposition J. Carbon, 2005: 437-446. 13 M.Rahmanian, M. H. Zandi. Carbon Nanotubes Grown by CO2 Laser-Induced Chemical Vapor Deposition on Quartz J. International Journal of electrochemical science, 2012,7: 6904-6909.,等离子体CVD工艺以其高产等优点被用于制备碳纳米管。然而等离子体CVD法制备碳纳米管有以下不足：(1)较低的沉积温度导致制备的碳纳米管缺陷密度较高而石墨化程度