一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统
专利汇可以提供一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种可加 电场 的 脉冲激光沉积 制膜系统，该系统为在传统PLD设备的基片加热器后方加一套强电场装置，该强电场装置有两个金属板 电极 ，分别放置于两“凹”形陶瓷 块 的凹槽中，两陶瓷块垂直放置于一陶瓷固定片，并且互相平行固定在陶瓷固定片上；陶瓷块的凹槽一侧打一 导线 通孔，套有陶瓷管的导线从金属板电极上穿出导线通孔，与一个 电阻 和 变压器 电源相连，组成整个 电路 系统。该装置结构简单。利用本发明装置生长出的 薄膜 能显著改变微结构，进一步改变薄膜的性能。为制备研究新型特殊结构的薄膜样品提供了有效的实验装置。，下面是一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统专利的具体信息内容。
1.一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，包括真空室(14)，由机械泵、分子泵和管路组成的真空机组(5)；放置在真空室(14)外的高压气瓶(9)，通过真空室壁上的针阀与真空室(14)连通组成充气系统；真空室(14)中安装基片加热器(10)和靶组件(13)；由控制电源与基片加热器(10)连接组成加热控温部分；其特征在于：所述的基片加热器(10)后方设置一外加强电场装置(11)，该外加强电场装置(11)由两块呈“凹”形且四个下角均设有螺孔的陶瓷块(15)、两个金属板电极(17)、一个陶瓷固定片(16)和一根金属杆(20)组成；其中所述的两个金属板电极(17)，分别放置于所述的“凹”形陶瓷块(15)的凹槽中，两块陶瓷块(15)垂直于陶瓷固定片(16)，并且互相平行固定在陶瓷固定片(16)上；陶瓷块(15)的凹槽一侧打一导线通孔，套有陶瓷管的导线(19)从金属板电极(17)上穿出导线通孔，与一个电阻和变压器电源相连；准分子脉冲激光器(1)放置在真空室(14)外，其产生的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，经光束扫描镜(3)反射，通过真空室(14)的石英玻璃窗口(4)照射到靶材上。
2.按权利要求1所述的可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，其特征在于：还包括固定夹(18)，所述的固定夹(18)呈直角形金属件，在直角形金属件的两叉上开有螺孔；所述的陶瓷固定片(16)上开有卡槽，该卡槽沿陶瓷固定片(16)的长边设置，通过固定夹(18)将两块陶瓷块(15)固定在陶瓷固定片(16)的卡槽中。
3.按权利要求1所述的可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，其特征在于：所述的金属板电极(17)为紫铜或不锈钢板，其形状为中间方形，四角边缘呈圆弧的形状。
4.按权利要求1所述的可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，其特征在于：所述的陶瓷块(15)为耐1000℃以上的高温的微晶云母陶瓷或液腊石材料。
5.按权利要求1所述的可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，其特征在于：所述的陶瓷固定片(16)与陶瓷块材料性能要求相同，厚度约为1～3mm，上面平行刻两个宽度为2～3mm的卡槽，槽的长度和间距视陶瓷块的尺寸决定。
6.按权利要求1所述的可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，其特征在于：所述的可调电阻(8)的阻值在104～108Ω可调。
7.按权利要求1所述的可加电场的脉冲激光沉积制膜系统，其特征在于：所述的变压器电源(6)的电压在0～50000伏可调。
一种可加电场的脉冲激光沉积制膜系统
技术领域
背景技术
现今薄膜研究领域，纳米复合薄膜由于具有传统复合材料和现代纳米材料两者的优越性，已引起科研工作者的广泛关注并得到日趋深入的研究而成为重要的前沿课题。而纳米复合薄膜研究中，一个很重要的方面就是关于纳米颗粒在传统复合材料基质中的分布和形状问题。如文献1：Optical nonlinearity enhancement viageometric anisotropy，Phys.Rev.E 56(1997)1322中理论分析表明，当金属纳米复合薄膜中的金属纳米颗粒具有定向排列时材料的非线性光学效应大大增强。文献2：Effective nonlinear optical properties of metal-dielectric composite media withshape distribution，Phys.Rev.E64(2001)036615中分析指出，纳米颗粒的分布和形状能改变复合材料的吸收峰位，提高其三阶非线性效应的优值比。施加电场是实现纳米颗粒定向排列和形状改变的有效方式。而传统PLD设备无加电场的功能，所生长的复合薄膜中纳米颗粒在基质材料中的分布是随机的、无序的，并且在非晶或多晶膜中均近似为球形。虽然在结晶性较好的膜中会出现大体定向排列的椭球纳米颗粒，但此时纳米颗粒的浓度不能太高。因为浓度太高会破坏基质膜的结晶性，使的纳米颗粒排列仍为无序、球形。而如果直接在基片两端通过金属极板加强电场，由于羽辉中带电粒子会导通两电极而引起瞬时的打火放电，将严重影响薄膜的生长质量。具体可参考文献3：Pulsed laser deposition of thin films D.B.Chrisey，G.K.Hubler John Wiley&Sons，Inc.1994。
发明内容
本发明的目的是这样实现的：本发明提供的脉冲激光沉积制膜系统，是在传统PLD设备基础上，加上一套外加强电场的专用装置。具体包括真空腔室，其真空由机械泵、分子泵和管路组成的真空机组实现；放置在真空室外的高压气瓶，通过真空室壁上的针阀与真空室连通组成充气系统，以实现不同的气体氛围；准分子脉冲激光器放置在真空腔外，其产生的脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，经光束扫描镜反射，通过真空腔的石英玻璃窗口照射到靶材上；真空腔中安装靶组件和基片加热器；由控制电源与基片加热器连接组成加热控温部分；其特征在于：所述的基片加热器后方设置一外加电场装置，该外加电场装置由两块呈“凹”形且四个下角均设有螺孔的陶瓷块、两个金属板电极、一个陶瓷固定片和一根金属杆组成；其中所述的两个金属板电极，分别放置于所述的“凹”形陶瓷块的凹槽中，两块陶瓷块垂直于陶瓷固定片，并且互相平行固定在陶瓷固定片上，一根安装在真空室底座上的金属杆顶端固定在陶瓷固定片底部；陶瓷块的凹槽一侧打一导线通孔，套有陶瓷管的导线从金属板电极上的导线通孔穿出，与一个电阻和变压器电源相连。
在上述的技术方案中，还包括固定夹，所述的固定夹呈直角形()金属件，在直角形金属件的两叉上开有螺孔；所述的陶瓷固定片上开有卡槽，该卡槽沿陶瓷固定片的长边设置的，通过固定夹将两块陶瓷块固定在陶瓷固定片的卡槽中，使得两块陶瓷块之间的间距可调。
在上述的技术方案中，所述的金属板电极，为不易被氧化的紫铜或不锈钢等材料。形状为中间方形，边缘圆弧的跑道形。主要为防止尖端放电。两板的尺寸由基片的尺寸决定，一般长约20～30mm，宽约5～10mm。
在上述的技术方案中，所述的陶瓷块应耐1000℃以上的高温，有较大的介电常数，较小的出气率，能满足真空室中应用要求，并且易加工。如微晶云母陶瓷，液腊石等。
在上述的技术方案中，所述的陶瓷固定片与陶瓷块材料性能要求相同，厚度约为1～3mm，上面平行刻两个宽度为2～3mm的卡槽，槽的长度和间距视陶瓷块的尺寸决定。
在上述的技术方案中，所述的电阻的阻值在104～108Ω可调。主要是为了在制膜过程中，防止电路导通发生危险。
在上述的技术方案中，所述的变压器电源，其电压在0～50000伏可调。
本发明的优点：本发明提供的外加强电场的脉冲激光沉积制膜系统简单，易安装，易操作。利用该系统能够容易实现在制膜或退火过程中施加强电场，通过外加强电场与薄膜中粒子的相互作用，能生长出传统PLD设备所不能生长的薄膜结构，有效的实现了纳米复合薄膜中纳米颗粒的定向排列和形状改变，并进一步显著改变了薄膜的性能。
附图说明
图1为本发明外加强电场的PLD制膜系统示意图图2a为本发明外加电场装置的组件示意图图2b为本发明的外加电场装置中的金属板电极示意图图3a传统PLD无外加电场制备的Ag/BaTiO3薄膜透射电镜图图3b利用本发明装置在制膜过程中外加1000V/cm的电场，其他条件均与制备图3a样品相同的情况下，制备的Ag/BaTiO3薄膜透射电镜图(即利用本发明的装置与利用传统PLD装置制备的薄膜透射电镜对比图)图面说明如下：(1)准分子激光器； (2)聚焦透镜； (3)光束扫描镜；(4)石英玻璃窗口； (5)真空机组； (6)变压器电源；(7)可控电源； (8)可调电阻； (9)高压气瓶；(10)基片加热器； (11)外加电场装置； (12)基片；(13)靶组件； (14)真空室； (15)陶瓷块；(16)陶瓷固定片； (17)金属板电极； (18)固定夹；(19)导线； (20)金属杆具体实施方式实施例1：按图1，2所示制作一台外加强电场的PLD制膜系统。
利用一台PLD制膜系统，在该PLD制膜系统的真空室14内的基片加热器后方设置一外加电场装置。传统的真空室14，其真空度由其下方的机械泵、分子泵和管路组成的真空机组5实现，真空度由ZDF-9复合真空计读出。高压气瓶9通过管路与真空室14壁上的针阀和真空室连通，以提供不同的气体氛围。在真空室14中安装靶组件13和基片加热器10，靶组件使用传统的PLD制膜系统的，即由4个不锈钢制成的小圆盘安装在一大圆盘上组成；小圆盘上固定靶材；大圆盘可通过齿轮带动的轴承转动，从而带动小圆盘转动以实现不同靶材间的互换；同时，小圆盘还可在马达驱动下绕自身轴承实现自转，其转速可由计算机精确控制，从而使激光打在靶材的不同位置。通过相应的传动装置还可实现靶组件13的前后移动。基片加热器10采用硅片或电阻丝通电流时产生的焦耳热加热，与EUROTHEM818型号的控制电源8相连，基片12放在基片加热器10上。
本实施例的外加强电场装置11，如图2a所示：由8个呈直角形金属件作为固定夹18，在直角形金属件的两叉上开有螺孔，固定夹18、陶瓷块15安装在陶瓷固定片16的卡槽处，利用螺母将陶瓷块15下方的螺孔和陶瓷固定片16的卡槽相连固定在一起。两金属板电极17放置于陶瓷块15的刻槽中，金属板电极17为紫铜或不锈钢板，其形状为中间方形，四角边缘呈圆弧的形状，如图2b。两根套有陶瓷管的金属导线19通过金属板电极上的接线柱，穿过陶瓷块15上方的通孔连到可调电阻8和变压器电源6上。整套装置通过由陶瓷固定片16中间的小孔连接的金属杆20固定在真空室14内底部，放置在基片加热器10的后方，并使基片加热器10处于陶瓷块15之间。准分子激光器1放置在真空室14外，其产生的脉冲激光经过聚焦透镜2聚焦后，经光束扫描镜3反射，通过真空腔14壁上的石英玻璃窗口4照射到靶材上。
实施例2：利用实施例1的装置制备Ag/BaTiO3复合薄膜，具体工艺如下：将Ag/BaTiO3的靶材固定在转靶上。将5×10×0.5mm3双抛MgO基片放置10mm宽的硅加热器上，外加平行电场装置及整个外电路，两陶瓷块的间距调为11mm，两金属极板间距为20mm。靶材与基片的距离在4cm左右。抽本底真空至5×10-4Pa，充氮气环境至10Pa。基片温度保持室温。脉冲激光使用德国LambdaPhysik公司生长的准分子激光器产生，工作气体为XeCl，输出波长308nm。激光能量可达400mJ，重复频率可调，脉宽20ns，靶材表面能量密度约1.5～3J/cm2。调节光路，使激光打到靶材上。调整转靶位置，使羽辉较好的接触基片。在沉积同时，将电压加到2000V，相应电场约为1000V/cm。实现薄膜生长过程中实时外加强电场的操作。参考图3a为传统PLD无外加电场制备的Ag/BaTiO3薄膜透射电镜图，图3b利用实施例1的装置，在制膜过程中外加约1000V/cm的电场，其他条件均与制备图3a条件相同的情况下，制备的Ag/BaTiO3薄膜透射电镜图(即利用本发明的装置与利用传统PLD装置制备的薄膜透射电镜对比图，见图3b)。对制备的薄膜样品通过透射电镜观察，可看到Ag纳米颗粒有明显的定向排列，并且形状近乎变为椭球形。与传统无电场的PLD系统制备的Ag纳米颗粒为球形且随机分布的薄膜有了很大的改变。进一步的实验发现，其三阶非线性光学效应显著增强。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明的部件及结构进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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