CN101177776A - 一种用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及脉冲激光沉积系统中用于调节基片角度的装置，该装置包括加热器与真空腔外的加热控制器电连接，通过中心轴将第一变向齿轮和加热固定架固定，第一变向齿轮与固定在轴杆上的第二变向齿轮互相咬合；磁力法兰内外腔耦合安装在真空腔上，磁力法兰内腔的内轴杆与变速箱的轴连接，变速箱的另一轴与轴杆连接；磁力法兰外腔的外轴杆与角度调节盘相连；通过转动角度调节盘，该装置可使基片法线方向与羽辉中心线方向夹角在0－90°之间自由调节，方便地倾斜基片制备出不同结构的薄膜。另一磁力法兰内腔的内轴杆与导轨相连，其外轴杆与靶距调解盘相连，导轨的另一端连接在加热器固定架上，通过转动靶距调节盘，可以方便的调节靶材与基片的距离。
Description
技术领域
本发明涉及到一种脉冲激光沉积装置，特别是一种用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的的装置。
背景技术
脉冲激光沉积法(Pulse Laser Deposition，以下简称PLD)是现今常用的制备薄膜方法之一，它具有易于操作，成膜速率快等优点，广泛应用于生长组分复杂的钙钛矿氧化物薄膜，高温超导薄膜，及各类复合薄膜等。
在现今的薄膜研究领域，用脉冲激光沉积法制备不同结构薄膜的报道层出不穷。文献1(Effects of oxygen pressure on lattice parameter，orientation，surface morphology and deposition rate of(Ba0.02Sr0.98)TiO3 thin films grownon MgO substrate by pulsed laser deposition，THIN SOLID FILMS 485，82(2005))报道了用PLD设备沉积结构好，均匀性高，介电性能优良的Ba0.02Sr0.98TiO3薄膜；文献2(Development of in-plane aligned YBCO tapesfabricated by inclined substrate deposition，PHYSICA C 357，946(2001))中提到：采用倾斜基片的脉冲激光沉积法在非织构Ni合金基片上制备出YSZ缓冲层，通过对YSZ缓冲层进行θ-2θ扫描及极图扫描，可以确认YSZ晶格在垂直膜面方向及面内均为规则排列，织构YSZ缓冲层为外延高质量Y1Ba2Cu3Ox(简称YBCO)薄膜提供了前提条件。此外，在文献(Synthesis and electricalproperties of ZnO nanowires，MICRON 37，370(2006))中用化学气相沉积方法制备了电学性能良好的ZnO纳米线。在脉冲激光沉积系统中，羽辉中的原子和原子团沉积到水平放置的基片时，与文献3中提到的纳米线沉积设备原理相同，就可以生长出纳米线结构。
由以上的报道可知，在脉冲激光沉积系统成膜过程中倾斜基片可以制备多种结构的薄膜。当制备厚度均匀且结构依赖于基片结构的薄膜时，基片法线方向与羽辉中心线方向是平行的；当基片法线方向与羽辉中心线方向成α角，就可以如文献2中描述的那样在非织构基片上生长出织构薄膜；当沉积的时间较短时，就可以得到斜层状薄膜，在此种情况下所沉积薄膜的取向不依赖于基片的结构；当基片法线方向与羽辉中心线方向垂直时，控制沉积参数，就可以生长出纳米线结构。
现有的脉冲激光沉积系统的结构和工作原理如图1所示：准分子激光器1产生的脉冲激光，经聚焦透镜2聚焦后，通过全反射镜3照射到真空腔4中的陶瓷靶材6(放置于可公转自转的靶托5上)，瞬时高温剥离的原子与原子团形成等离子体羽辉7，并在基片8上沉积成膜。
所述脉冲激光沉积系统还包括加热和支撑系统，所述加热和支撑系统主要由用于放置基片8并对其进行加热的加热器9，用于固定加热器9的第一支撑臂10和第二支撑臂11，以及位于真空腔外的加热控制器12组成，所述第一支撑臂10和第二支撑臂11固定在真空腔4的内壁上，所述加热器9的两个电极分别通过第一支撑臂10和第二支撑臂11的内部电连接至加热控制器12；此外，脉冲激光沉积系统还包括分别通过气路与真空腔连通的真空机组13和高压气瓶14。
然而，在上述脉冲激光沉积系统中，基片是不能自由调整倾斜角度的，整个系统只能制备一种结构的薄膜，因此大大降低了仪器的工作效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述脉冲激光沉积系统存在的缺陷，从而提供一种用于脉冲激光沉积系统中的、可以自由调节基片倾斜角度和水平距离的装置。
本发明提供的脉冲激光沉积系统中用于调节基片角度的装置(如图2b所示)，包括一电阻丝加热器22，该电阻丝加热器22固定在加热器固定架15上，并与真空腔外的加热控制器12电连接；其特征在于，还包括第二磁力法兰27和第一磁力法兰28、中心轴16、第一变向齿轮17、变速箱21、第二变向齿轮26、机械导轨18、轴杆25、靶距调节盘19和角度调节盘20；其中所述第一磁力法兰28的内腔37插入真空腔4内，通过螺钉35将内腔37、真空腔4密封联通，并且通过内腔37中的第一磁力法兰轴39和第二磁力法兰轴40固定磁力法兰内轴杆31，该轴杆31与所述机械导轨18固定，该机械导轨18的另一端固定在所述加热器固定架15上；所述第一磁力法兰的外腔38安装在真空腔4外，内腔37和外腔38隔绝耦合在一起(如图3所示)，所述外腔38内的U形磁铁33通过磁力法兰的外轴杆34与靶距调节盘19连接；通过外腔中的U形磁铁33的转动传动到内腔中的相应磁铁32，而带动磁力法兰内轴杆31转动，连同与其相连机械导轨18转动；该机械导轨18用来传动靶距调节盘19对加热器固定架15水平方向位置的调节，从而可以自由改变沉积靶距(基片8和靶材6之间的距离)，机械导轨18既具有传动功能，同时还承载加热器，固定架，中心轴等的重量；
所述加热器固定架15上设置所述中心轴16，通过中心轴16固定所述第一变向齿轮17，其中所述第二磁力法兰27的内腔37插入真空腔4内，通过螺钉35将内腔37真空腔4密封联通，并且通过内腔37中的第一磁力法兰轴39和第二磁力法兰轴40固定磁力法兰内轴杆31，该内轴杆31与所述变速箱21的轴相连，变速箱21的轴与所述轴杆25连接，该轴杆25的另一端安装一第二变向齿轮26，该第二变向齿轮26与第一变向齿轮17互相咬合，构成变向齿轮组；所述第二磁力法兰的外腔安装在真空腔4外，内腔37和外腔38隔绝耦合在一起(如图3所示)，所述外腔38内的U形磁铁33通过磁力法兰外轴杆34与角度调节盘20连接；通过外腔中的U形磁铁33的转动传动到内腔中的相应磁铁32，从而带动磁力法兰内轴杆31转动，带动轴杆25转动到变向齿轮组上，经过变向齿轮组改变转动方向，进而旋转加热器9，从而达到可以倾斜固定在加热器9上面的基片8的目的。
在上述的技术方案中，还包括在加热器固定架15上设置一可自由旋转的铜电极23，所述电阻丝的两个输出端，通过铜电极23穿出，再与加热控制器12导线电连接到加热控制器12。
本发明提供的另一种脉冲激光沉积系统中用于调节基片角度的装置(如图2a所示)，包括一加热器9，该加热器为1硅加热器，所述加热器9固定在加热器固定架15上，第一支撑臂10和第二支撑臂11为一根中空管，分别穿出真空腔壁，并密封固定在真空腔上，该第一支撑臂10和第二支撑臂11内穿入与加热控制器12连接的导线，该导线的另一端穿出第一支撑臂10或第二支撑臂11管腔外与所述硅加热器9的输出端电连接；其特征在于，还包括第二磁力法兰27和第一磁力法兰28、中心轴16、第一变向齿轮17、变速箱21、第二变向齿轮26、机械导轨18、轴杆25、靶距调节盘19和角度调节盘20；其中所述第一磁力法兰28的内腔37插入真空腔4内，通过螺钉35将内腔37真空腔4密封联通，并且通过内腔37中的第一磁力法兰轴39和第二磁力法兰轴40固定磁力法兰内轴杆31，该轴杆31与所述机械导轨18固定，该机械导轨18的另一端固定在所述加热器固定架15上；所述第一磁力法兰的外腔38安装在真空腔4外，内腔37和外腔38隔绝耦合在一起(如图3所示)，所述外腔38内的U形磁铁33通过磁力法兰外轴杆34与靶距调节盘19连接；通过外腔中的U形磁铁33的转动传动到内腔中的相应磁铁32，从而带动磁力法兰内轴杆31转动，连同与其相连机械导轨18转动；该机械导轨18用来传动靶距调节盘19对加热器固定架15水平方向位置的调节，从而可以自由改变沉积靶距(基片8和靶材6之间的距离)，机械导轨18既具有传动功能，同时还承载加热器，固定架，中心轴等的重量；
所述加热器固定架15上设置所述中心轴16，通过中心轴16固定所述第一变向齿轮17，其中所述第二磁力法兰27的内腔37插入真空腔4内，通过螺钉35将内腔37真空腔4密封联通，并且通过内腔37中的第一磁力法兰轴39和第二磁力法兰轴40固定磁力法兰内轴杆31，该内轴杆31与所述变速箱21的轴相连，变速箱21的轴与所述轴杆25连接，该轴杆25的另一端安装一第二变向齿轮26，该第二变向齿轮26与第一变向齿轮17互相咬合，构成变向齿轮组；所述第二磁力法兰的外腔安装在真空腔4外，内腔37和外腔38隔绝耦合在一起(如图3所示)，所述外腔38内的U形磁铁33通过磁力法兰外轴杆34与角度调节盘20连接；通过外腔中的U形磁铁33的转动传动到内腔中的相应磁铁32，从而带动磁力法兰内轴杆31转动，带动轴杆25转动到变向齿轮组上，经过变向齿轮组改变转动方向，进而旋转加热器9，从而达到可以倾斜固定在加热器9上面的基片8的目的。
在上述的技术方案中，所述硅加热器输出端与加热控制器12的导线是通过银箔24软连接(连接的两端相对位置可以变化)的方式。
在上述的技术方案中，所述加热器固定架15的材料为可加工陶瓷或叶蜡石。
本发明优点在于：
本发明的用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的的装置，采用传动机构设计成双层结构，其中内传动结构与位于真空腔外的角度调节盘连接，用来传动角度调节盘对加热器固定架的角度调节；机械导轨与位于真空腔外的靶距调节盘连接，用来传动靶距调节盘对加热器固定架水平方向位置的调节；导轨的末端与加热器固定架连接。在该装置中，加热器与加热器控制器的导线之间采用银箔实现软连接，既可以实现电连接，又可以方便地倾斜加热器的角度。
本发明的用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的的装置中设计了调节角度调节盘和靶距调节盘，这样既可以用于调节加热器固定架旋转角度，又可以用于调整加热器固定架15水平方向位置，实现基片法线方向与羽辉中心线方向夹角在0-90°之间自由调节，可以非常方便地倾斜基片，因此制得的薄膜具有不同结构，并且厚度均匀，显著扩展了脉冲激光沉积方法的适用范围。
本发明的装置结构简单，可以方便地加装在任何薄膜沉积系统中，稳定性好，易于操作和维护。
附图说明
图1现有技术中的脉冲激光沉积系统；
图2a本发明采用硅加热器的调节基片角度的装置示意图；
图2b本发明采用电阻丝加热器的调节基片角度的装置示意图。
图3磁力法兰的工作原理图。
1-准分子激光器 2-聚焦透镜 3-全反射镜 4-真空腔
5-靶托 6-陶瓷靶材 7-羽辉 8-基片
9-加热器 10-第一支撑臂 11-第二支撑臂 12-加热控制器
13-真空机组 14-高压气瓶 15-加热器固定架 16-中心轴
17-第一变向齿轮 18-机械导轨 19-靶距调节盘 20-角度调节盘
21-变速箱 22-电阻丝加热器 23-可自由旋转铜电极
24-银箔 25-轴杆 26-第二变向齿轮
27-第二磁力法兰 28第一磁力法兰 29-磁力法兰部分
31-磁力法兰内轴杆 32-磁力法兰内磁铁
33-U形磁铁 34-磁力法兰外轴杆 35-紧固螺钉
37-内腔 38-外腔
39-磁力法兰轴A 40磁力法兰轴B
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地详细解释和说明。
实施例1
本实施例的用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，如图2b所示，其中加热器9采用电阻丝加热器，由于电阻丝不方便拉伸，因此在设计上采用将电阻丝缠绕在加热器的盒子内组成加热器9，该加热器9固定在加热器固定架15上，该加热器固定架15上还固定一个可以自由旋转的铜电极23，电阻丝两端穿出铜电极分别与加热控制器12输出端电连接。
本实施例的二套磁力法兰27、28均是市场上购买的，如图3所示，磁力法兰的工作原理如图3所示，磁力法兰分为内腔37和外腔38，内腔37和外腔38是隔绝的，内腔37与真空腔4通过螺钉35实现两者密封联通，磁力法兰轴39，40起固定磁力法兰内轴杆31的作用。外腔中的U形磁铁33的转动可以传动到内腔中的相应磁铁32，从而带动磁力法兰内轴杆31转动，连同与其相连的真空腔内轴杆转动。
本实施例的加热器固定架15由叶蜡石制作而成，所述加热控制器12采用EUROTHER818智能控温系统，所述中心轴16、角度调节盘20和靶距调节盘19、变向齿轮、变速箱也均从市场上购买的。
本实施例的第一磁力法兰28和第二磁力法兰27与真空腔4的安装是一样，内腔37插入真空腔4内，通过螺钉35将内腔37真空腔4密封联通，并且通过内腔37中的第一磁力法兰轴39和第二磁力法兰轴40固定磁力法兰的内轴杆31，只是区别在于第一磁力法兰28的磁力法兰的内轴杆31与所述机械导轨18固定，该机械导轨18的另一端固定在所述加热器固定架15上；所述第一磁力法兰的外腔38安装在真空腔4外，内腔37和外腔38隔绝耦合在一起(如图3所示)，所述外腔38内的U形磁铁33通过磁力法兰外轴杆34与靶距调节盘19连接；通过外腔中的U形磁铁33的转动传动到内腔中的相应磁铁32，从而带动磁力法兰内轴杆31转动，连同与其相连机械导轨18转动；该机械导轨18用来传动靶距调节盘19对加热器固定架15水平方向位置的调节，从而可以自由改变沉积靶距(基片8和靶材6之间的距离)，机械导轨18既具有传动功能，同时还承载加热器，固定架，中心轴等的重量；
而第二磁力法兰的内轴杆31与一个变速箱21的轴相连，变速箱21的轴与所述轴杆25连接，该轴杆25的另一端安装一第二变向齿轮26，该第二变向齿轮26与第一变向齿轮17互相咬合，构成变向齿轮组，第一变向齿轮17通过中心轴16固定在加热器固定架15上，所述外腔38内的U形磁铁33通过磁力法兰外轴杆34与角度调节盘20连接；通过外腔中的U形磁铁33的转动传动到内腔中的相应磁铁32，从而带动磁力法兰内轴杆31转动，带动轴杆25转动到变向齿轮组上，经过变向齿轮组改变转动方向，进而旋转加热器9，从而达到可以倾斜固定在加热器9上面的基片8的目的。
将本实施例的装置安装在真空系统中的实例如图1所示，并且应用该系统在熔石英基片上制备ZnO-Ag复合薄膜的实验步骤如下：
(1)开电源，循环水；
(2)打开真空腔，将ZnO-Ag复合马赛克靶材固定在靶托上，将熔石英片放在电阻丝加热器上，关闭生长室；
(3)打开真空机组，抽本底真空为2×10-3Pa，
(4)调节加热控制器12，控制加热器使基片升温至450℃；
(5)旋动靶距调节盘19，使靶距为50mm；旋动角度调节盘20，使熔石英基片倾斜40°；
(6)打开激光器，调节控制电压，使得到达陶瓷靶的能量密度为5J/cm2，设定激光频率为5Hz；
(7)薄膜生长30min后，停止生长过程，降至室温常压，取出薄膜样品。
台阶仪测定ZnO-Ag复合薄膜的厚度为300nm。为了测量薄膜的光生伏特效应，本实施例采用308nm的准分子激光照射制备的样品，当激光的脉宽20ns，所测得信号的上升沿时间约为24ns，信号强度约为60mV。相比较于同样的沉积条件下，基片法线方向与羽辉中心线方向平行时所制备的样品，信号强度有大幅度的提高。
实施例2
本实施例的用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，如图2a所示，其它部分与实施例1相同，只是本实施例中加热器9采用硅加热器，硅加热器两端的电极通过银箔软连接分别与第一支撑臂10和第二支撑臂11内腔中的导线电连接，再电连接至真空腔外部的加热控制器12上。
本实施例的装置采用银箔实现软连接，既可以实现电连接，而且硅加热器9可以方便地倾斜角度；加热器固定架15由页拉石或可加工陶瓷制作而成，加热控制器12采用EUROTHER818智能控温系统，中心轴16、角度调节盘20和靶距调节盘19、变向齿轮17和变速箱均从市场上购买。
利用本实施例的装置安装在图1的脉冲激光沉积系统中，在非织构的Ni基片上制备织构CeO2薄膜的步骤如下：
(1)开电源，循环水；(2)打开真空腔，将CeO2靶材固定在靶托上，将10×10×0.2mm的Ni基片放在加热器上，关闭生长室；(3)打开真空机组，抽本底真空为2×10-4Pa，充入4％H2+96％Ar混合气体，通过调节针阀(连接气瓶)和角阀(连接真空机组)来维持真空腔中所需气压的动态平衡约0.5-1.5Pa；(4)加热控制器12通过加热器升温基片至650℃；(5)转动靶距调节盘19，控制靶距为40mm；转动角度调节盘20，使得基片倾斜的角度为20°；(6)打开激光器，设定控制电压，使得到达陶瓷靶的能量密度为2J/cm2，设定激光频率为3Hz；(7)薄膜生长7min后，停止生长过程，降至室温常压，取出薄膜样品。
对所沉积的CeO2薄膜进行θ-2θ扫描，(002)衍射峰强度非常高表明制备的薄膜具有很强的c轴取向；对比Ni基片(002)和CeO2薄膜(002)衍射峰摇摆曲线的峰值半高宽，表明CeO2薄膜改进了材料的平面外取向；(111)方向的极图上显示四个强度分布均匀的对称斑，证明我们在Ni基片上制备的CeO2薄膜具有良好的面内取向。
Claims (5)
1.一种用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，包括一电阻丝加热器(22)，该电阻丝加热器(22)固定在加热器固定架(15)上，并与真空腔外的加热控制器(12)电连接；其特征在于，还包括第二磁力法兰(27)和第一磁力法兰(28)、中心轴(16)、第一变向齿轮(17)、变速箱(21)、第二变向齿轮(26)、机械导轨(18)、轴杆(25)、靶距调节盘(19)和角度调节盘(20)；其中所述第一磁力法兰(28)的内腔(37)插入真空腔(4)内，通过螺钉(35)将内腔(37)真空腔(4)密封联通，并且通过内腔(37)中的第一磁力法兰轴(39)和第二磁力法兰轴(40)固定磁力法兰内轴杆(31)，该轴杆(31)与所述机械导轨(18)固定，该机械导轨(18)的另一端固定在所述加热器固定架(15)上；所述第一磁力法兰的外腔(38)安装在真空腔(4)外，内腔(37)和外腔(38)隔绝耦合在一起，所述外腔(38)内的U形磁铁(33)通过磁力法兰的外轴杆(34)与靶距调节盘(19)连接；
所述加热器固定架(15)上设置所述中心轴(16)，通过中心轴(16)固定所述第一变向齿轮(17)，其中所述第二磁力法兰(27)的内腔(37)插入真空腔(4)内，通过螺钉(35)将内腔(37)和真空腔(4)密封联通，并且通过内腔(37)中的第一磁力法兰轴(39)和第二磁力法兰轴(40)固定磁力法兰内轴杆(31)，该内轴杆(31)与所述变速箱(21)的轴相连，变速箱(21)的轴与所述轴杆(25)连接，该轴杆(25)的另一端安装一第二变向齿轮(26)，该第二变向齿轮(26)与第一变向齿轮(17)互相咬合，构成变向齿轮组；所述第二磁力法兰的外腔安装在真空腔(4)外，内腔(37)和外腔(38)隔绝耦合在一起，所述外腔(38)内的U形磁铁(33)通过磁力法兰外轴杆(34)与角度调节盘(20)连接。
2.一种用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，包括一加热器(9)，该加热器(9)为硅加热器，所述加热器(9)固定在加热器固定架(15)上，第一支撑臂(10)和第二支撑臂(11)为一根中空管，分别穿出真空腔壁，并密封固定在真空腔上，该第一支撑臂(10)和第二支撑臂(11)内穿入与加热控制器(12)连接的导线，该导线的另一端穿出第一支撑臂(10)或第二支撑臂(11)管腔外与所述加热器(9)的输出端电连接；其特征在于，还包括第二磁力法兰(27)和第一磁力法兰(28)、中心轴(16)、第一变向齿轮(17)、变速箱(21)、第二变向齿轮(26)、机械导轨(18)、轴杆(25)、靶距调节盘(19)和角度调节盘(20)；其中所述第一磁力法兰(28)的内腔(37)插入真空腔(4)内，通过螺钉(35)将内腔(37)真空腔(4)密封联通，并且通过内腔(37)中的第一磁力法兰轴(39)和第二磁力法兰轴(40)固定磁力法兰内轴杆(31)，该轴杆(31)与所述机械导轨(18)固定，该机械导轨(18)的另一端固定在所述加热器固定架(15)上；所述第一磁力法兰的外腔(38)安装在真空腔(4)外，内腔(37)和外腔(38)隔绝耦合在一起，所述外腔(38)内的U形磁铁(33)通过磁力法兰的外轴杆(34)与靶距调节盘(19)连接；
所述加热器固定架(15)上设置所述中心轴(16)，通过中心轴(16)固定所述第一变向齿轮(17)，其中所述第二磁力法兰(27)的内腔(37)插入真空腔(4)内，通过螺钉(35)将内腔(37)真空腔(4)密封联通，并且通过内腔(37)中的第一磁力法兰轴(39)和第二磁力法兰轴(40)固定磁力法兰内轴杆(31)，该内轴杆(31)与所述变速箱(21)的轴相连，变速箱(21)的轴与所述轴杆(25)连接，该轴杆(25)的另一端安装一第二变向齿轮(26)，该第二变向齿轮(26)与第一变向齿轮(17)互相咬合，构成变向齿轮组；所述第二磁力法兰的外腔安装在真空腔(4)外，内腔(37)和外腔(38)隔绝耦合在一起，所述外腔(38)内的U形磁铁(33)通过磁力法兰外轴杆(34)与角度调节盘(20)连接。
3.按权利要求1所述用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，其特征在于，还包括在加热器固定架(15)上设置一可自由旋转的铜电极(23)，所述电阻丝的两个输出端，通过铜电极(23)穿出，再与加热控制器(12)导线电连接到加热控制器(12)。
4.按权利要求2所述用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，其特征在于，所述硅加热器(22)输出端与加热控制器(12)的连接，采用通过银箔(24)软连接的方式。
5.按权利要求1或2所述用于脉冲激光沉积系统中的调节基片角度的装置，其特征在于，所述加热器固定架(15)的材料为可加工陶瓷或叶蜡石。
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