奥格斯堡大学：准分子激光器光学元件有助于控制通量

时间： 2024-06-29 来源：COHERENT（高意激光）官网

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Helmut Karl 博士是德国奥格斯堡大学的实验物理学教授，同时担任该校纳米级功能氧化物研究小组的组长。 Karl 博士解释说，他的团队对复合氧化物特别感兴趣，因为它们具备一系列出色的磁特性和电特性，适合用于先进设备（如存储芯片、燃料电池和陶瓷电容器）。

图 1. 奥格斯堡实验室，（从左到右）Helmut Karl、Ralph Delmdahl、Florian Jung 和 Andreas Heymann 合影。照片由奥格斯堡大学 Karl 教授提供。

可以通过脉冲激光沉积 (PLD)创造出高质量氧化物层。在此过程中，激光脉冲在真空室中蒸发目标表面，然后射出的材料沉积在胶带、晶圆或其他基板上。 PLD 工艺是一种广泛使用的方法，在复杂氧化物和功能异质结构中的许多其他材料类别的化学计量沉积和外延生长应用中，其优势得到了充分证明。 Karl 博士指出，从材料和沉积条件（例如背景氧气压力）角度而言，PLD 也是一种非常可靠且用途广泛的技术。

许多已发表的研究，包括奥格斯堡大学小组的一些研究，已经对 PLD 工艺的最终结果（即沉积层的成分和物理特性）进行了检验。然而，对于工艺初始部分，即激光与目标之间的烧蚀相互作用，相关研究的受重视程度较低。因此，Karl 博士及其同事决定，用不同方向和目标通量的激光脉冲反复烧蚀几种复杂氧化物单晶，了解其烧蚀机理，以填补相关研究空白。为此，他们开发了一种优化的 PLD 光路，可以在改变激光通量的同时保持尺寸和形状。

图 2. 用于靶标烧蚀的封装 PLD 光束路径。照片由奥格斯堡大学 Karl 教授提供。

解决方案

该团队决定研究脉冲激光烧蚀对单晶 (001)、(011) 和 (111) 取向的 SrTiO3 (STO)、(102) 取向的 LaAlO3 (LAO) 和 (001) 取向的 Y3Al5O12 (YAG) 靶材的影响。之所以选择单晶进行研究，是因为已知 PLD 生长层会表现出准确的阳离子化学量，不易形成颗粒碎片（多晶烧结靶通常会存在这个问题），并提供明确的初始表面条件。

图 3. 切割 YAG 靶材的 SEM 图像清晰显示了每个靶标上形成的新表面层。照片由奥格斯堡大学 Karl 教授提供。

他们决定在这项研究中使用 KrF准分子激光器，特别是 COHERENT 公司的 COMPex 205 F（工作波长为 248 nm），因为这是许多 PLD 研究和工业应用中首选的常用激光器。该激光器的脉冲能量相对较高，达到 750 mJ，支持由低到高通量下的大面积烧蚀。 Karl 解释说：“实践证明，这种 248 nm 准分子激光器和我们的专用光束路径适合许多不同氧化物的 PLD，并提供了我们进行有意义定量研究所需的光束均匀性和高脉冲间稳定性。”

图 1 显示了本研究中使用的光学装置的一部分。为了在分析靶标上实现相同的光束条件，光圈和缩小透镜都保持在固定位置，同时使用全介质衰减器连续调节光圈处的激光能量。这样就能在激光光斑尺寸保持恒定的情况下，在 1-6 J/cm2 的范围内调整目标表面的能量密度。

成果

利用这种装置，研究人员着手全面评估单晶靶材，包括在不同通量下各种短脉冲序列激光烧灼后的形态、氧损失和裂纹形成。他们通过原子力、扫描电子显微镜和共焦激光扫描显微镜对靶标表面形态进行成像，并使用电子背散射衍射分析和能量色散 X 射线光谱分析表面的晶体学变化和元素组成。

该研究揭示了几个有趣的结果。例如，所有材料都有一个几百纳米厚的沉积层，这必然是通过每个激光脉冲的周期性熔化和再结晶形成的（图 2）。大多数材料有某种形式的表面开裂，这表明热冲击不是唯一的重要机制。更确切地说，热膨胀引起的机械应变也起了作用。对于某些材料，氧释放导致的分解是另一种活跃的机制。

总之，该团队希望这些新见解可以改善 PLD 靶标选择，另外还可以提高某些基于准分子激光脉冲的表面图案制作应用的性能。

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