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脈沖激光沉積（PLD）已經(jīng)不是什么新的技術(shù)了。脈沖激光沉積一般是用一個(gè)準(zhǔn)分子激光沖擊目標(biāo)物，激光脈沖氣化目標(biāo)物上的材料，氣化后的材料在基板（工件）表面積聚，形成薄膜。PLD技術(shù)一個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)就是無(wú)論是基板（工件）還是目標(biāo)物，都不需要具有磁性和導(dǎo)電性。
掃描系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中也不是什么新技術(shù)了：小巧、輕質(zhì)的反射鏡合并在這些系統(tǒng)中，用于在工件表面以極快的速度移動(dòng)焦點(diǎn)位置。如今，普朗克固體研究所的科學(xué)家們研發(fā)出一種真正全新的技術(shù)：結(jié)合了掃描振鏡和PLD的成功技術(shù)。采用掃描鏡頭的創(chuàng)新激光沉積方法（CLD），打破了 PLD技術(shù)中焦點(diǎn)位置固定的局限。
皮秒級(jí)別崎嶇不平的表面
在PLD加工中，目標(biāo)物上的可用區(qū)域是很小的，激光脈沖每次沖擊它的時(shí)候，它就會(huì)變得粗糙，激光會(huì)在表面爆炸出越來(lái)越多不均勻的“塊”，形成一個(gè)皮秒級(jí)別崎嶇不平的表面。于是，更大“塊”的粒子開(kāi)始沉積在基板上，形成液滴。由于目標(biāo)物只能夠提供材料單一的覆層，要實(shí)現(xiàn)多層覆層，就需要多個(gè)加工步驟。
還有一種方式是使用激光進(jìn)行加工，僅需一個(gè)加工步驟就可聚焦在不同的目標(biāo)物上，盡管每次切換聚焦點(diǎn)在不同的目標(biāo)物都會(huì)造成覆層的不均勻。如果覆層需要結(jié)合多種元素，就可以使用一個(gè)“預(yù)混合”的目標(biāo)材料，或在純?cè)亟M成的單個(gè)目標(biāo)物之間快速交替聚焦。這兩種方法中的元素往往都是以一個(gè)稍有不同的比例聚集，這是取決于目標(biāo)物中不同的消融率。
CLD加工
在CLD加工中，一個(gè)目標(biāo)物可以為所有覆層提供元素。此外，該技術(shù)在加工中會(huì)產(chǎn)生復(fù)合層。這是通過(guò)在一個(gè)合適的幾何形狀里排列覆層元素得到的。
在CLD加工中，掃描振鏡將激光脈沖并列在一起，一行一行地掃描覆蓋整個(gè)目標(biāo)物。這時(shí)加工使用整個(gè)目標(biāo)物表面，同時(shí)用連續(xù)、完整的覆層系統(tǒng)為大面積基板覆層。在單層中，它甚至可以形成梯度，均勻地增加或降低覆層元素的濃度。
馬克斯普朗克研究所研發(fā)了這項(xiàng)新技術(shù)，將其作為用鋁鈦鈮覆層系統(tǒng)為藍(lán)寶石覆層這個(gè)項(xiàng)目的一部分。他們采用鈦盤(pán)作為目標(biāo)物，在里面安置了楔形的分段目標(biāo)物，并且以一個(gè)鈮圓盤(pán)為中心。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用飛秒激光器，并保持目標(biāo)溫度在25和500攝氏度之間。
沖擊目標(biāo)物的激光波長(zhǎng)為516納米，脈沖能量在0.3和0.6毫焦耳之間，脈沖頻率為1000赫茲。隨后，研究人員檢查了目標(biāo)物和在基板上的沉積和元素。
沒(méi)有液滴形成
這一系列的實(shí)驗(yàn)表明，PLD的最大困難是液滴的形成甚至不會(huì)發(fā)生。總的來(lái)說(shuō)，得益于飛秒激光器的高頻率脈沖，新的CLD技術(shù)能夠轉(zhuǎn)移更多的材料。然而，超短脈沖激光單脈沖消融量雖然較少，但能更均勻地消融目標(biāo)材料。
此外，焦點(diǎn)的位置是在目標(biāo)物上不斷移動(dòng)的，而不是在同一點(diǎn)上不斷沖擊，這使其表面非常光滑。實(shí)驗(yàn)中所用的基材，精選混合均勻的鋁鈦鈮涂層顆粒，尺寸在20和200納米之間。在25攝氏度和500攝氏度，覆層之間的差異可以忽略不計(jì)。
所有這三個(gè)組成部分能在任何溫度下積累成結(jié)晶，而不形成合金。1 : 1 : 1 的理想組合使覆層能夠?qū)崿F(xiàn)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)燒蝕率改變時(shí)，在沉積覆層中的元素也立即會(huì)有相同比例的變化。
此外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，掃描線的位置可以直接控制組件的消融率，沉積覆層的檢查結(jié)果表明，消融率和沉積率也隨著激光功率產(chǎn)生相應(yīng)比例的變化，是一個(gè)快速并且“無(wú)阻力”的變化。因此，激光輸出功率，目標(biāo)物上掃描線的位置和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)都是能精確控制的加工參數(shù)。
激光為王牌
成就這個(gè)工藝的王牌就是激光器。通快公司使用TruMicro激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明一個(gè)高生產(chǎn)率和穩(wěn)定的覆層過(guò)程可以通過(guò)工業(yè)皮秒激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用更強(qiáng)大的激光器，更短的脈沖和更高的重復(fù)率可以提升工藝的速度，這一加工還能進(jìn)一步發(fā)展。
因此，隨著科學(xué)家們繼續(xù)研發(fā)飛秒級(jí)別的工業(yè)激光器，CLD技術(shù)將變得越來(lái)越穩(wěn)定。CLD技術(shù)具有為大型基板，如平板顯示器和太陽(yáng)能電池板覆層的能力，并且加工成本低，加工速度快，與PLD技術(shù)相比，前景更加廣闊。
更多信息
自1998以來(lái)，這篇文章的作者Dieter Fischer博士一直在普朗克固體研究所致力于研究原子的固體合成。研究最終推進(jìn)了Martin Jansen教授在CLD技術(shù)研究方面的發(fā)展。
不同的覆層系統(tǒng)可以通過(guò)以不同的方式在目標(biāo)物上排列的元素來(lái)獲得：目標(biāo)物1、產(chǎn)生A層：B層，目標(biāo)物2、產(chǎn)生交替的A層和B層。目標(biāo)物3、在C層中交替插入A層和B層，目標(biāo)物4、產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)變化比例的A層：B層 。目標(biāo)物5、先沉積一個(gè)純的C層，接著依次產(chǎn)生交替的A層：C層和B層：C層。
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