專利名稱：一種在線測(cè)量pld薄膜化學(xué)計(jì)量比及各成分質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖激光沉積鍍膜領(lǐng)域，一種在線測(cè)量PLD薄膜化學(xué)計(jì)量比及各成分質(zhì)量的方法。
背景技術(shù)：
脈沖激光沉積(PLD)制備薄膜，其過程通常是一束脈沖激光聚焦后投射到靶材上，激光的高能量密度將使靶材上被輻照區(qū)域的組分材料瞬間燒蝕，隨后燒蝕物將擇優(yōu)沿著靶的法線方向傳輸，在靶材表面形成等離子體羽。燒蝕物在空間向基底方向輸運(yùn)，并在基底表面凝聚、形核、生長、最后得到所需要的薄膜。在整個(gè)生長過程中，通?？稍谇惑w內(nèi)充入一定壓強(qiáng)的某種氣體，比如沉積氧化物時(shí)一般充入一定量的氧氣。PLD過程各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間從皮秒到微秒不等。PLD的主要優(yōu)勢(shì)之一是薄膜的化學(xué)計(jì)量比和靶材材料的基本一致。但是，有多種因素會(huì)對(duì)薄膜的化學(xué)計(jì)量比有影響，例如:環(huán)境氣體種類、壓強(qiáng)、激光脈沖能量、靶材表面條件和燒蝕特性等。這些使靶材到薄膜的化學(xué)計(jì)量比的轉(zhuǎn)移變得更加復(fù)雜，不能保證薄膜按照化學(xué)計(jì)量比生長。確定薄膜真實(shí)的化學(xué)計(jì)量比對(duì)形成高質(zhì)量薄膜，具有重要意義。我們采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)手段測(cè)量薄膜成分化學(xué)計(jì)量比，用石英晶體微天平(QCM)測(cè)量薄膜總沉積量以及厚度，將二者的結(jié)果結(jié)合，得到薄膜中各種成分的含量。激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,LIBS)可用來對(duì)未知成分的樣品進(jìn)行定性和定量元素分析，能用來測(cè)定激光燒蝕產(chǎn)生物質(zhì)的化學(xué)成分。當(dāng)高能量脈沖激光束聚焦在靶材表面，極度預(yù)熱靶材一小塊體積，導(dǎo)致受輻照區(qū)域上方產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體。等離子體羽發(fā)出的光和光強(qiáng)度依賴于被濺射出來的元素種類及其含量，用光譜儀分析發(fā)射的光譜，可得到定性或定量的分析結(jié)果。LIBS可原位同時(shí)分析多種元素，對(duì)被濺射出來的物質(zhì)(也就是即將成膜的物質(zhì))進(jìn)行實(shí)時(shí)快速測(cè)量，得到它們含量的百分比。對(duì)LIBS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析有多種方法。其中自由定標(biāo)法不需要通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出定標(biāo)曲線，而是直接根據(jù)得到的譜線的相對(duì)強(qiáng)度計(jì)算出分析組分的濃度。優(yōu)點(diǎn):無需定標(biāo)物，程序簡化，成本較低；全元素測(cè)量；真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)分析。缺點(diǎn):不考慮自吸收效應(yīng)，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有影響；需對(duì)所有的譜線進(jìn)行分析，工作量相對(duì)較大。石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance, QCM or QMB)是以石英晶體為換能元件，利用石英晶體的兩個(gè)效應(yīng)，即壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。借助檢測(cè)石英晶體固有頻率的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度和淀積速率的監(jiān)控，測(cè)量精度可以達(dá)納克量級(jí)。QCM具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、分辨率高、靈敏度高、特異性好、可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物理、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。QCM用于監(jiān)測(cè)薄膜的生長有很好的確定的空間位置和時(shí)間分辨率。它能在低熱通量區(qū)域提供材料獲得和損失的有價(jià)值數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，提供了一種在線測(cè)量PLD薄膜化學(xué)計(jì)量比及各成分質(zhì)量的方法，本發(fā)明基于脈沖激光沉積鍍膜技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、石英晶體微天平測(cè)膜厚技術(shù)，用LIBS診斷成膜物種的種類以及各物種百分t匕，用QCM推算出總成膜質(zhì)量JfLIBS和QCM 二者的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，得出各成分質(zhì)量。本發(fā)明能夠在脈沖激光沉積鍍膜過程中，實(shí)時(shí)原位在線測(cè)量薄膜化學(xué)計(jì)量比，不會(huì)對(duì)鍍膜過程有干擾，并且方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:提供了一種在線測(cè)量PLD薄膜化學(xué)計(jì)量比及各成分質(zhì)量的方法，包括以下步驟:
步驟1:依鍍膜需要，選擇合適的靶材7、基底9和環(huán)境氣體；
步驟2:將靶材7放在可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)6上，將基底9放在可旋轉(zhuǎn)基底臺(tái)8上；
步驟3:調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)6、可旋轉(zhuǎn)基底臺(tái)8、第一聚焦透鏡10、第二聚焦透鏡19的位置，使靶材7面對(duì)基底9，石英晶體21與靶材7成0°至90°角，但不能影響PLD鍍膜過程，光纖15平行于靶材7，且采集光譜最佳位置在距離靶材7 f 2mm處，最遠(yuǎn)測(cè)量距離依等離子體長度而定，靶材7位于第一聚焦透鏡10的焦點(diǎn)處、光纖15位于第二聚焦透鏡19的焦點(diǎn)處；
步驟4:用真空泵組11將真空室I抽成真空狀態(tài)，再用真空規(guī)14測(cè)量真空度，直至氣壓小于10_3mbar ;依鍍膜需要從進(jìn)氣口 16充入相應(yīng)氣體；
步驟5:依鍍膜厚度的需要，計(jì)算機(jī)18通過光纖光譜儀2自帶控制軟件設(shè)置激光脈沖數(shù)，調(diào)節(jié)激光器Q延遲時(shí)間，設(shè)置脈沖激光器4和光纖光譜儀2的時(shí)序，開始鍍膜并采集LIBS光譜；· 步驟6:在脈沖激光器4開始工作的同時(shí)，計(jì)算機(jī)18實(shí)時(shí)顯示并記錄石英晶體21共振頻率隨脈沖激光沉積鍍膜·時(shí)間的變化；
步驟7:用自由定標(biāo)法分析LIBS信號(hào)，計(jì)算出薄膜中各個(gè)成分化學(xué)計(jì)量比；
測(cè)得的粒子的特征譜線強(qiáng)度可表示為:
權(quán)利要求
1.一種在線測(cè)量PLD薄膜化學(xué)計(jì)量比及各成分質(zhì)量的方法，包括以下步驟: 步驟1:依鍍膜需要，選擇合適的靶材(7)、基底(9)和環(huán)境氣體；步驟2:將靶材(7 )放在可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)(6 )上，將基底(9 )放在可旋轉(zhuǎn)基底臺(tái)(8 )上；步驟3:調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)(6)、可旋轉(zhuǎn)基底臺(tái)(8)、第一聚焦透鏡(10)、第二聚焦透鏡(19 )的位置，使靶材(7 )面對(duì)基底(9 )，石英晶體(21)與靶材(7 )成O °至90 °角，光纖(15 )平行于靶材(7 )，且采集光譜最佳位置在距離靶材(7 ) f 2mm處，靶材(7 )位于第一聚焦透鏡(10)的焦點(diǎn)處、光纖(15)位于第二聚焦透鏡(19)的焦點(diǎn)處； 步驟4:用真空泵組(11)將真空室(I)抽成真空狀態(tài)，再用真空規(guī)(14)測(cè)量真空度，直至氣壓小于10_3mbar ;依鍍膜需要從進(jìn)氣口( 16)充入相應(yīng)氣體； 步驟5:依鍍膜厚度的需要，計(jì)算機(jī)(18)通過光纖光譜儀(2)自帶控制軟件設(shè)置激光脈沖數(shù)，調(diào)節(jié)激光器Q延遲時(shí)間，設(shè)置脈沖激光器(4)和光纖光譜儀(2)的時(shí)序，開始鍍膜并采集LIBS光譜； 步驟6:在脈沖激光器(4)開始工作的同時(shí)，計(jì)算機(jī)(18)實(shí)時(shí)顯示并記錄石英晶體(21)共振頻率隨脈沖激光沉積鍍膜時(shí)間的變化； 步驟7:用自由定標(biāo)法分析LIBS信號(hào)，計(jì)算出薄膜中各個(gè)成分化學(xué)計(jì)量比； 測(cè)得的粒子的特征譜線強(qiáng)度可表示為:
全文摘要
本發(fā)明涉及脈沖激光沉積鍍膜領(lǐng)域，公開了一種在線測(cè)量PLD薄膜化學(xué)計(jì)量比及各成分質(zhì)量的方法。首先，在脈沖沉積鍍膜過程中，用激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)測(cè)量沉積的薄膜中各個(gè)成分化學(xué)計(jì)量比；然后，用石英晶體微天平(QCM)測(cè)量薄膜總沉積量；最后，將LIBS的結(jié)果和QCM的結(jié)果相結(jié)合，得到薄膜中各成分的質(zhì)量。本發(fā)明基于PLD技術(shù)、LIBS技術(shù)、QCM測(cè)膜厚技術(shù)，將LIBS和QCM相結(jié)合，彌補(bǔ)了LIBS定量分析比較困難，QCM不能進(jìn)行物質(zhì)分辨的不足。本發(fā)明能夠在脈沖激光沉積鍍膜過程中，實(shí)時(shí)原位在線測(cè)量薄膜化學(xué)計(jì)量比，不會(huì)對(duì)鍍膜過程有干擾，并且方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01B7/06GK103196772SQ20131011372
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者丁洪斌, 吳興偉, 李聰, 張辰飛 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)