臭氧源在 PLD 生长中的应用场景及原理

臭氧源在 PLD 生长中的应用场景及原理

在脉冲激光沉积 (PLD) 技术中，臭氧作为一种高效的氧化剂，可用于制备各种高质量的氧化物薄膜。与传统的氧气作为氧化剂相比，臭氧能够提供更强的氧化环境，有利于形成高质量的氧化物薄膜，特别是对于一些难氧化的材料。

应用场景

臭氧源在 PLD 生长中的主要应用场景包括：

复杂氧化物薄膜制备：臭氧辅助 PLD 特别适合于制备具有复杂化学成分的氧化物薄膜，如高温超导体 (YBa₂Cu₃O₇)、铁电材料 (BiFeO₃)、多铁材料等。这些材料通常需要精确控制氧含量和氧化环境，臭氧能够提供更强的氧化能力，确保材料的化学计量比和晶体结构。

高质量外延薄膜制备：在制备高质量外延薄膜时，臭氧可以提供更活泼的氧环境，促进薄膜的外延生长和结晶，减少缺陷和非化学计量比问题。

透明导电氧化物制备：如 ITO (氧化铟锡)、FTO (氟掺杂氧化锡) 等透明导电氧化物的制备，臭氧可以提高氧化物的结晶度和导电性，同时保持良好的透光性。

功能梯度材料制备：臭氧辅助 PLD 可以通过控制臭氧流量和激光能量密度，在单一沉积过程中制备具有梯度组成和结构的功能材料。

界面工程：在多层膜和异质结构的制备中，臭氧可以用于界面处理和氧化，改善界面质量和材料性能。

应用原理

在脉冲激光沉积 (PLD) 技术中，臭氧作为氧化剂的应用原理主要涉及以下几个方面：

激光脉冲与靶材相互作用：高能激光脉冲照射到靶材表面，使靶材迅速吸收能量，导致表面局部温度急剧升高，材料蒸发或等离子体化，形成等离子体羽辉。

等离子体羽辉传输：蒸发的物质形成高温、高密度的等离子体羽辉，向基底方向传输。在传输过程中，等离子体羽辉中的物质与周围气体 (包括臭氧) 发生相互作用。

臭氧分解与氧化反应：臭氧分子在等离子体羽辉的高温环境中分解，产生活性氧物种 (如原子氧和羟基自由基)，这些活性物种与等离子体羽辉中的金属原子和离子发生氧化反应，形成金属氧化物。

薄膜生长：氧化后的物质在基底表面沉积并反应，形成氧化物薄膜。在这一过程中，臭氧提供的活性氧物种有助于促进薄膜的生长和结晶。

臭氧在 PLD 中的应用原理与传统的氧气相比，主要区别在于臭氧能够提供更高浓度的活性氧物种，从而增强氧化反应的效率和速率。在 PLD 过程中，激光脉冲产生的高温等离子体环境有利于臭氧的分解和活性氧物种的生成，这些活性氧物种能够与等离子体羽辉中的金属原子和离子迅速反应，形成高质量的氧化物薄膜。

臭氧辅助 PLD 的优势主要体现在以下几个方面：

增强氧化反应：臭氧分解产生的活性氧物种能够更有效地与金属原子和离子反应，形成高质量的氧化物薄膜，特别是对于一些难氧化的材料。

降低沉积温度：臭氧提供的强氧化环境可以在较低的基底温度下实现高质量的氧化物薄膜生长，有利于热敏感材料的制备和减少界面反应。

提高薄膜质量：臭氧辅助 PLD 制备的氧化物薄膜通常具有更高的结晶度、更少的缺陷和更好的化学计量比，从而表现出更优异的物理和化学性能。

扩大材料范围：臭氧辅助 PLD 可以制备一些传统方法难以制备的氧化物材料，扩大了 PLD 技术的应用范围。

在一项研究中，研究人员使用脉冲激光沉积 (PLD) 技术在多种衬底上生长了 BiFeO₃(BFO) 薄膜，包括 DSO 和 TSO 衬底。PLD 样品使用 248 nm KrF 激光，能量密度约为 1.5 J/cm²，在 700℃和 90 mTorr O₂(或臭氧) 压力下沉积。研究发现，与传统的氧气相比，臭氧作为氧化剂可以显著提高 BFO 薄膜的结晶度和质量，改善其铁电和磁性性能。