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激 光 与 光 电 子 学 进 展
激光沉积
技术
先采用脉 冲 激光烧蚀
靶材形成约
厚的种子层
然后将样品 转向远
离烧蚀羽流的传播方向
生成了密 集 的超薄纳 米 柱
阵列
这些纳米柱的直径约为
其纵横比比同
条件下传统
技术生长的纳米柱高
倍
如图
所示
年
等
在 高 压 氛 围 下 利 用
激光烧蚀等离子体 羽 辉中存在的
原 子 团 簇 直
接在基底上 沉 积 了
纳 米 颗 粒
实 现 了 无 催 化
剂
无模板的自组装 垂 直 排 列
纳 米 柱 结 构
此
外
他们发现改变基 底 温度和退 火 环境能够 调 整纳
米柱的直径
除了最为常见的
纳米柱结构外
在高背景压强下也可以 实现无催
化剂一维纳米柱结构的制备
图
法制备垂直排列的
纳米柱示意图
制备的纳米结构的尺 寸仅取决于 生长
条件以及初期成核 密度和成 核 尺寸
这种方法 制 备
的纳米结构的位 置
密度
尺寸
结晶度和 缺 陷受生
长温度
环境气氛
退火温度
脉冲激光 频 率的影响
很大
此外
生 长 的 纳 米 结 构 是 在 高 气 氛
压强下沉积的
难以避免产生生长缺陷
这些缺陷会
影响纳米结构的结晶质量以及电学和光学特性
表面扩散限制法
过程包含多 种表面原子 的运动过程
如扩
散
成核
附着
分离和层 间 运输等
表面扩散系数
的增加会促使等离 子体羽辉 形 核后聚集
这意味着
材料在较大厚度时 能达到连 续
从而形成 致 密的薄
膜
然而
在形核聚 集 过程中存 在 许多生长 不 稳定
因素
如扩散受限 导致的聚合
团聚
错位等
这种
不稳定的生长过程与理想的逐层致密生长所需的表
面平滑过程相竞争
导致了生 长 缺陷的产 生 和生长
表面的粗糙化
在常规氧 化 物薄膜的 外 延过程中
为了获得原子级表 面平整均 匀 的薄膜材 料
科研人
员尝试通过调整实 验参数来 提 高表面扩 散 系数
促
进形核聚集的快速完成
然而
本研究团队
发现
通过调整关 键制备
参数适当降低表面 扩散系数
可在一定 程 度上抑制
等离子体羽辉在衬 底表面的 形 核聚集
提高生长 表
面粗糙度
改变致密生长机制
制备出疏松的一维有
序纳米结构
如图
所示
生长初期 形 成的表面 起
伏导致入射原子吸附于表面凸起顶端的概率大于落
在凹槽中的概 率
随着这些 表 面刻面凸 起 的长大
这些凸起的根部形 成阴影区 域
不能再接 收 到大角
度的入射束流
束流粒子在表面凸起顶端择优生长
无法填补相邻柱状结构之间的沟槽
这样
柱状结构
逐渐长大
最终形成了 垂 直有序的 纳 米结构
表面
扩散限制法与纳米粒子辅助法的区别在于前者不依
赖于高的气氛压强
主要通过 提 高沉积速 率 来抑制
晶粒的横向生 长
控 制 沉 积 材 料 的 微 观 结 构 演 变
在
过程中
沉积速率可以通过多种方式进行控
制
包括控制激光光斑的 尺 寸
激光能量 密 度
气氛
压强
激光频率
基底温度等
此外
本研究团队 还
发现
当沉积速率小于临界沉积速率
每个脉冲下的
沉积厚度约为
时
原子表面的扩散速度加
快
生成致密的连续薄膜
当沉积速率大于临界沉积
图
表面扩散限制法制备一维垂直有序纳米结构的生长机理示意图