一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置及用其制备低维材料的方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置及用其制备低维材料的方法。所述装置包括激光器、加热系统、生长室、真空系统、冷却系统、载气系统、排气系统。激光器用于产生高能激光束，激光束与源材料靶材作用形成等离子体羽辉。生长室是一密封的Y型管，可先后或同时进行各种物理/化学反应。加热系统采用多温区管式炉可控加热方法，为生长室中材料生长提供所需的高温环境。本发明专利技术可先后、可同时进行脉冲激光沉积和化学气相沉积，可调节控制激光、温度、气压、反应气体等，分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构等材料的生长，材料体系可覆盖氧化物、半导体、金属及其复合结构等。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置及用其制备低维材料的方法
本专利技术涉及薄膜生长、异质结以及纳米线材料与材料生长领域。更具体地，涉及一种脉冲激光辅助化学气相沉积的材料生长设备及结合脉冲激光沉积法和化学气相沉积法分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构等材料的生长。
技术介绍
功能材料应用十分广泛，涉及信息技术、生物技术、能源技术等高
，从大规模集成电路、电子元器件、平板显示器、信息记录与存储、传感器和光伏太阳能电池，涉及高新技术产业的各个方面。随着材料科学研究的深度和广度不断发展，为了提升功能材料的性能，深入研究功能材料的本征性质与结构，改进和发展新的工艺是其中关键的一部分。功能材料的生长具有重要的意义。脉冲激光沉积(PulsedLaserDeposition)和化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition)是相对低成本来生长高质量材料的两种方法。脉冲激光沉积(PulsedLaserDeposition,PLD)是一种物理气相沉积的薄膜生长工艺，利用聚焦后的高功率脉冲激光在真空腔体中轰击靶材，将靶材气化成等离子体，在衬底上沉积形成薄膜。其优点是可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜，易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜及异质结，激光的高能量可以沉积难熔材料，灵活的换靶装置便于实现多层膜异质结及超晶格膜的生长。但是PLD很难进行大面积薄膜的均匀沉积，由于衬底处电阻丝加热的局限使得沉积的温度难以升到1000℃，另外通入反应气体则会污染腔体。化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是一种生产纯度高、性能好的固态材料的化学工艺。将衬底暴露在一种或多种不同的前驱物下，在衬底表面发生化学反应来产生欲沉积的材料，在电子工业应用广泛。其优点是可以在相对高的真空下反应，可以容易得到可控的化学计量比的材料，有相对高的沉积速率，可得到多层膜、异质结和纳米结构等材料的生长，并且可以实现掺杂。蒸发源由于达不到PLD激光的温度，故高熔点材料的生长受到局限，质量比不上PLD。将激光脉冲沉积和化学气相沉积两种材料生长方法很好的的结合在一起，融合各自的优点，分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构的外延生长，是本专利技术的主要内容。
技术实现思路
本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，可以先后或者同时进行脉冲激光沉积和化学气相沉积，可以调控激光、温度、气压和反应气体等实现利用物理/化学的方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构的外延生长。本专利技术要解决的第二个技术问题是提供实现使用上述系统制备薄膜、异质结以及纳米结构材料的方法。为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，该系统包括激光器、加热系统、生长室、真空系统(4)、冷却系统(26)、载气系统和排气系统(27)；所述激光器产生的激光射入生长室；所述生长室与真空系统、载气系统和排气系统(27)连通，所述冷却系统(26)和生长室、真空系统(4)连接，所述冷却系统、真空系统(4)、载气系统和和排气系统可单独关闭和打开。优选地，所述生长室包括第一法兰(1)、第二法兰(2)、第三法兰(3)、Y型管(23)、激光挡板(22)、耐高温靶材托(9)，耐高温靶材杆(11)、磁力传送杆(6)、耐高温衬底挡板(21)、耐高温样品架(7)、料舟(10)；所述耐高温靶材杆(11)的一端连接耐高温靶材托(9)，另一端连接生长室外的电机(12)；所述磁力传送杆(6)设于生长室内耐高温靶材杆(11)相对的一侧，所述磁力传送杆(6)的一端连接耐高温衬底挡板(21)，另一端伸出生长室外。优选地，所述Y型管(23)直行的两端连接第一法兰(1)和第二法兰(2)，分支管的一端连接第三法兰(3)；所述激光挡板(22)位于生长室第三法兰(3)内侧；所述聚焦镜(14)位于第三法兰(3)外侧；所述激光器产生的激光束通过生长室的第三法兰进入生长室，由聚焦镜(14)在源材料靶材处聚焦，与靶材作用形成等离子体羽辉，或与源材料相互作用，对沉积样品进行激光辅助处理。优选地，所述耐高温靶材杆(11)由钨、镍、钼或钛材料制成，从第一法兰(1)伸入生长室，移动耐高温靶材杆(11)可以调节耐高温样品架(7)和耐高温靶材托(9)之间的相对位置；所述耐高温靶材杆(11)另一端与电机(12)相连，通过电机(12)的沿轴旋转带动耐高温靶材杆(11)旋转，使杆均匀受热；所述耐高温靶材托(9)为内外双层结构的圆箍，固定在耐高温靶材杆(11)上，旋紧可夹住靶材，旋松可取出靶材。优选地，所述磁力传送杆(6)的杆末端位于生长室外，前端从第二法兰(2)伸入生长室连接耐高温衬底挡板(21)；所述耐高温衬底挡板可随传送杆的移动来推拉耐高温样品架(7)的移动，同时可以沿轴旋转来遮挡和保护衬底基片，以便实现瞬间中断生长。优选地，所述耐高温样品架(7)位于磁力传送杆(6)和耐高温靶材杆(11)之间，耐高温样品架(7)呈底部为圆弧的舟状，材质为氧化铝陶瓷，直径略小于石英管内径，顶部设有至少一个凹槽；所述凹槽具有不同的深度和宽度，以实现对衬底基片的固定；所述料舟(10)为船舶型，可将蒸发源放入所述料舟中，可通过耐高温靶材杆(11)调节其在生长室中的位置。优选地，所述载气系统包括至少一个流量控制计(19)和至少一套载气装置；所述载气装置通过流量控制计(19)向生长室通入气体；所述气体包括氧气、氮气、氩气、氢气、甲烷、乙烯、乙炔或气体硫化物；所述排气系统(27)包括排气管道和尾气净化装置(25)，尾气净化装置(25)中包括氢氧化钠、碳酸钠和活性炭。优选地，所述载气系统可以在材料物理/化学沉积生长的同时通入氧气(O2)、氮气(N2)、氩气(Ar)、氢气(H2)、甲烷(C2H4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、气体硫化物等多种有机和无机反应气体，并可由流量计控制气体流量以及反应气体间的比例。优选地，所述真空系统(4)采用分子泵来满足超高真空的要求；所述真空系统(4)、真空系统阀门(5)和真空计(20)依次连接生长室；所述冷却系统(26)包括水冷机，保证在高温环境下各个部件的安全使用；所述加热系统为多温区管式炉，通过可控加热方法，为生长室提供高温环境；所述生长室的真空度范围为10-4至105Pa；所述生长室的最高温度可达1200℃。本专利技术系统装置的生长室是一密封的Y型石英管，可先后或同时进行各种物理/化学反应。加热系统采用多温区管式炉可控加热方法，为生长室中基于物理和化学方法实现的材料生长提供所需的高温环境。载气系统可以在材料物理/化学沉积生长的同时通入多种反应气体，并可由流量计控制气体流量以及反应气体间的比例。本专利技术可先后、可同时进行脉冲激光沉积和化学气相沉积，可调节控制激光、温度、气压、反应气体等，分别或同时利用物理/化学方式达到高质量多组分的薄膜、异质结及纳米结构等材料的生长，材料体系可覆盖氧化物、半导体、金属及其复合结构等。为解决上述第二个技术问题，本专利技术采用下述技术方案：使用如上所述的脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置制备材料的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：该系统包括激光器、加热系统、生长室、真空系统(4)、冷却系统(26)、载气系统和排气系统(27)；所述激光器产生的激光射入生长室；所述生长室与真空系统(4)、载气系统和排气系统(27)连通，所述冷却系统(26)和生长室、真空系统(4)连接，所述冷却系统、真空系统(4)、载气系统和排气系统(27)可单独关闭和打开。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：该系统包括激光器、加热系统、生长室、真空系统(4)、冷却系统(26)、载气系统和排气系统(27)；所述激光器产生的激光射入生长室；所述生长室与真空系统(4)、载气系统和排气系统(27)连通，所述冷却系统(26)和生长室、真空系统(4)连接，所述冷却系统、真空系统(4)、载气系统和排气系统(27)可单独关闭和打开。2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述生长室包括第一法兰(1)、第二法兰(2)、第三法兰(3)、Y型管(23)、激光挡板(22)、耐高温靶材托(9)，耐高温靶材杆(11)、磁力传送杆(6)、耐高温衬底挡板(21)、耐高温样品架(7)、料舟(10)；所述耐高温靶材杆(11)的一端连接耐高温靶材托(9)，另一端连接生长室外的电机(12)；所述磁力传送杆(6)设于生长室内耐高温靶材杆(11)相对的一侧，所述磁力传送杆(6)的一端连接耐高温衬底挡板(21)，另一端伸出生长室外。3.根据权利要求2所述的一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述Y型管(23)直行的两端连接第一法兰(1)和第二法兰(2)，分支管的一端连接第三法兰(3)；所述激光挡板(22)位于生长室第三法兰(3)内侧；所述聚焦镜(14)位于第三法兰(3)外侧；所述激光器产生的激光束通过生长室的第三法兰(3)进入生长室，由聚焦镜(14)在源材料靶材处聚焦，与靶材作用形成等离子体羽辉，或与源材料相互作用，对沉积样品进行激光辅助处理。4.根据权利要求2所述的一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述耐高温靶材杆(11)由钨、镍、钼或钛材料制成，从第一法兰(1)伸入生长室，移动耐高温靶材杆(11)可以调节耐高温样品架(7)和耐高温靶材托(9)之间的相对位置；所述耐高温靶材杆(11)另一端与电机(12)相连，通过电机(12)的沿轴旋转带动耐高温靶材杆(11)旋转；所述耐高温靶材托(9)为内外双层结构的圆箍，固定在耐高温靶材杆(11)上，旋紧可夹住靶材，旋松可取出靶材。5.根据权利要求2所述一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述磁力传送杆(6)的杆末端位于生长室外，前端从第二法兰(2)伸入生长室连接耐高温衬底挡板(21)；所述耐高温衬底挡板可随传送杆的移动来推拉耐高温样品架(7)的移动，同时可以沿轴旋转来遮挡和保护衬底基片。6.根据权利要求2所述一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述耐高温样品架(7)位于磁力传送杆(6)和耐高温靶材杆(11)之间，耐高温样品架(7)呈底部为圆弧的舟状，材质为氧化铝陶瓷，直径略小于石英管内径，顶部设有至少一个凹槽；所述料舟(10)为船舶型，可通过耐高温靶材杆(11)调节其在生长室中的位置。7.根据权利要求1所述一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述载气系统包括至少一个流量控制计(19)和至少一套载气装置；所述载气装置通过流量控制计(19)向生长室通入气体；所述气体包括氧气、氮气、氩气、氢气、甲烷、乙烯、乙炔或气体硫化物；所述排气系统(27)包括排气管道和尾气净化装置(25)，尾气净化装置(25)中包括氢氧化钠、碳酸钠和活性炭。8.根据权利要求1所述一种脉冲激光辅助化学气相沉积生长系统装置，其特征在于：所述真空系统(4)包括分子泵；所述真空系统(4)、真空系统阀门(5)和真空计(20)依次连接生长室；所述冷却系统(26)包括水冷机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金星，杨振雄，宋创业，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11