1、脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的研究现状与发展趋势,脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的研究现状与发展趋势,一、引言二、脉冲激光烧蚀的技术原理和特性三、脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的研究现状四、脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的发展前景五、我省开展用脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的研究建议,一、引言,1960年7月7号梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器。,激光,性质：高能量密度；高单色性；高相干性；高方向性。,应用：打标技术、切割技术、焊接技术、烧蚀制备纳米材料技术等,二、脉冲激光烧蚀技术的原理和特征,液相中激光烧蚀制备纳米胶体粒子,气相中激光烧蚀制备纳米薄膜或纳米粒子,2.1、制备纳米粒子的特性,材料
2、蒸发过程图,纳米颗粒,1、制备周期短；2、实验装置简单，操作方便；3、激光使靶材发生气化的时间很短；4、适合制备任何成分固体靶材；5、制备的液相金属纳米粒子非常稳定；6、金属纳米粒子的尺寸和性质具有很好的重复性；7、制备过程便于人工控制工艺条件来获得不同纳米尺度的 金属粒子；,2.2、制备纳米薄膜的特性,材料薄膜沉积过程,纳米薄膜,1、靶材广泛；2、很适合于绝缘材料制造薄膜；3、适合难熔材料制造薄膜；4、能够沉积质量很高的纳米薄膜；5、需要的样品很少；6、几乎不需要对靶材进行实验前处理；7、制备时可以控制实验参数、引入监测、控制和分析装 置，从而利于研究烧蚀过程的动力学和形成机制；8、适用范围
3、广，设备简单，易操作，灵活性大；,问题,2.3、目前存在的,1、制备的材料中有熔融小颗粒或靶材碎片，这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的，从而降低了材料质量；2、尚未有实验证明激光技术用于大面积制备的可行性；3、平均制备速率慢，对于制备大面积的纳米材料，存在烧蚀过程的分散性问题；4、鉴于烧蚀设备成本和沉积规模，此技术只运用在高新技术领域和新材料薄膜开发研制。,三、脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的研究现状,三、国内外研究现状,1963年,激光镀膜的最初概念已经形成,1965年,激光成功制备了光学薄膜,1987年,利用脉冲激光沉积出高质量纳米薄膜,目前,三、脉冲激光烧蚀技术制备纳米材料的研究现状,1
4、963年,1965年,1987年,目前,脉冲激光烧蚀制备纳米材料大致经历了三个阶段：纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀，有关学者对这三个阶段做了很多的研究。,激光器工作图,Vacuum Pump&Halogen Filter,Keypad,laser,3.1、纳秒激光烧蚀(nanosecond laser ablation),纳秒激光烧蚀是激光烧蚀的初期阶段，以脉宽为10-910-10s的激光作为光源。,纳秒脉冲激光器,1987年,Dijkkamp等人利用纳秒激光烧蚀技术成功地沉积出高质量的高温超导薄膜。,1994年,复旦大学吴凌晖教授等人用时空分辩发射光谱来研究短脉冲(5ns)激光烧蚀
5、钛靶过程中产生的等离子体羽。并讨论了钛原子和一阶离 子密度的时间分布和演化及激光参数的影响。,21世纪,1987年,1994年,21世纪,2002年，Alex A.Puretzky等人由原处分光镜的诊断学提出纳秒激光烧蚀合成有关单壁碳纳米管的三个重要问题：在烧蚀后各种时间及扩散羽辉体内纳米粒子温度的测定，羽辉体内纳米粒子团聚的监测，单壁碳纳米管成长率的测量。2005年，N.V.Tarasenko等人由纳秒激光在丙酮或蒸馏水中激光烧蚀银盘制备了银胶体，同时通过改变激光各种参数和照射后的机制来控制纳米粒子尺寸和稳定性。,3.2、皮秒激光烧蚀(picosecond laser ablation),皮
6、秒激光烧蚀是以脉宽为10-1110-12s的激光作为光源。,皮秒脉冲激光器,1990年,W.Marine等人介绍了通过皮秒Nd:YAG激 光器来烧蚀加工非晶硅标靶，从而得出所 沉积薄膜结构与活性离子出现有关13。,1996年,A.Rosenfeld等人在8ps，130ps的激光下和 在薄膜厚度范围从50nm到3.7um时测得金 和镍薄膜的单射击烧蚀阀值。同时比较了 金和镍薄膜的拓补结构来显示其各种特性。,21世纪,1990年,1996年,21世纪,2003年，Lumera Laser展示了首台具有较高平均功率(10W)、良好光束质量(M21.5)、较低脉宽(12ps)和较高脉冲能量输出(100
7、J)且频率高达100KHz的激光器Staccato。且为以后的皮秒激光烧蚀制备纳米材料研究提供了更优异的光源。,3.3、飞秒激光烧蚀(femosecod laser ablation),飞秒脉冲激光器,飞秒激光烧蚀是以脉宽为10-15s的激光作为光源，由于飞秒脉冲激光的超高速和超高强度的特征，使得它在烧蚀过程中有独特的优越性。,2000年,Masayuki Okoshi等人通过脉宽为130fs的 飞秒激光烧蚀冻结丙酮标靶来沉积类菱 形碳薄膜，在室温真空下由Raman光谱 等来鉴别此薄膜。,2003年,Takeshi Tsuji等人用飞秒激光脉冲在波长 为800nm时水中激光烧蚀制备纳米银粒子，
8、同时发现粒子的形成效率，尺寸和形貌 从纳秒脉冲制备的有很大的改变。,2004,A.S.Loir等人在认识到由飞秒激光烧蚀 沉积四面体菱形碳薄膜的特性后，研究 了将其应用在髋关节上，并发现此薄膜 的特性能很好的满足生物医学的要求。,3.4、我省的研究现状,浙江大学,叶志镇教授等人以Si(111)衬底，用脉冲激光烧蚀技术制得C轴高度择优取向的ZnO薄膜。并利用剥离技术制备了ZnO光导型紫外探测器，Al叉指状电极是由平面磁控溅射技术沉积得到的，对Al/ZnO/Al的伏安特性和紫外光响应的研究表明，金属铝和ZnO能形成很好的欧姆接触，紫外探测器的电阻值在100K左右，在紫外区域，其5V偏压下的光响应度
9、为0.5A/W。,3.4、我省的研究现状,浙江大学,门洪教授等人基于脉冲激光烧蚀技术在光寻址电位传感器(LAPS)表面上制备了Fe-Ge-Sb-Se硫系玻璃薄膜，合成的靶材成分为Fe1.2(Ge28Sb12Se60)98.8，在Si/SiO2基质上的金属层为Cr/Au，硫系玻璃薄膜对Fe3+敏感，显示了良好的重复性和稳定性在110-5110-2mol/L呈现线性，斜率为(562)Mv/decade，检测下限为510-6molL，当浓度高于110-4mol/L时，响应时间不超过40s；当低于此浓度时，响应时间不超过2min。,3.4、我省的研究现状,浙江大学,张银珠等人自行设计建立的脉冲激光沉积
10、(PLD)系统，进行了Zn1-xMgxO合金薄膜和ZnO/Zn1-xMgxO多层异质结构的生长、p 型Znl-xMgxO薄膜的初步探索以及p型ZnO薄膜的掺杂研究，并研制了一个硅基ZnO光电导型紫外探测器。研究硅基ZnO/Zn1-xMgxO多层异质结构和量子阱结构的结晶质量和发光特性，为ZnO光电器件的研发奠定基础。而Zn1-xMgxO薄膜p型转变的成功能为ZnO异质p-n结器件做好材料准备。,3.4、我省的研究现状,浙江工业大学,宋仁国等人采用脉宽为10ns的激光烧蚀技术在1,1,3,3-四苯基-1,3-二硅环丁烷(TPDC)单体薄膜表面上沉积了铂、铜、银等各种金属纳米粒子，然后在电炉中进行
11、低温热聚合反应，成功地制备出了新型有机硅聚合物聚二苯基硅亚甲基硅烷（PDPhSM）基纳米复合薄膜。研究表明，铂、铜、银等各种金属纳米粒子能够有效地使TPDC发生聚合反应，且聚合效率与纳米粒子的尺寸、种类等有很强的相关性,3.4、我省的研究现状,PDPhSM基纳米复合薄膜的制备过程示意图,3.4、我省的优势,有机硅纳米复合薄膜、纳米ZnO薄膜、Fe-Ge-Sb-Se硫系玻璃薄膜,表征,器件,制备,四、对我省开展此项研究的建议,发展趋势,脉冲激光烧蚀技术本身的发展,脉冲激光烧蚀技术与其它技术的发展,尤其用于薄膜沉积方面：高温超导薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、半导体薄膜、金属、超硬材料薄膜等的制备和研究
12、。,四、对我省开展此项研究的建议,建议,重点资助开展纳米材料的脉冲激光烧蚀制备及其应用基础研究,打造先进制造业基地,经济可持续发展,实现,4.1、脉冲激光烧蚀制备纳米粒子的基础研究,金属和半导体纳米粒子,性能：大表面积、超顺磁性、量子尺寸效应及特殊的光吸收性能和快速扩散等,应用：生物传感器、催化剂、微电子技术等,开展的工作,1、建立制备金属和半导体纳米粒子的激光烧蚀实验装置。,2、系统研究在各种环境(气体，液体)中制备金属和半导体纳米粒子的结构与性能，实现通过工艺参数控制纳米粒子的形貌，尺寸分布，微观结构及其性能的目的。,3、激光烧蚀的动力学过程及纳米粒子的形成机理的研究。,4、探讨纳米粒子在
13、新型生物传感器、催化剂等领域的应用。,4.2、脉冲激光烧蚀制备各种纳米薄膜的研究,1、有机硅聚合物基纳米复合薄膜2、纳米波导薄膜 3、纳米半导体薄膜,4.2.1、有机硅聚合物基纳米复合薄膜,定义,纳米粒子/聚合物复合薄膜是无机纳米粒子(金属、半导体等)以纳米级尺寸(一般为120nm)弥散分布在聚合物母体中的复合材料，也被称为聚合物基纳米复合材料；,性能,纳米材料所具有的效应、各种奇异的物理力学性能(非线性光学性能)等；,应用,光电子器件、信息储存等领域；,硅基聚合物:PDPhSM 和PDPhSO,高热稳定性,该材料在大多数溶剂中不溶解且熔点较高，因此很难用传统的方法将其制备成薄膜；,特性,紫外
14、激光辐照致长寿命可见光发射,问题,开展的工作,1、建立制备有机硅聚合物基纳米复合薄膜的实验装置。,2、深入系统地研究金属和半导体纳米粒子的形貌，尺寸，化学状态等对复合薄膜的微观结构、性能的影响规律。,3、纳米粒子的催化聚合机理研究。,4、纳米粒子增强有机硅聚合物非线性光学性能的机理研究。,4.2.2、纳米波导薄膜(应用),纳米波导薄膜,有源和无源薄膜光波导器件,构成,特定功能的光路系统,类似集成电路的微加工技术,独特性能、高集成化、规模生产低成本,体积小、质量轻、坚固紧凑、无须人工对准、适宜平面工艺大批量生产和降低成本,4.2.2、纳米波导薄膜(实验研究),研究原理：光在折射率不同的两种物质界
15、面上会发生全反射，从而将光限制在薄膜内传输。,研究内容：波导结构的制备,研究关键：改进实验方法、优化实验条件,4.2.2、纳米波导薄膜(国外现状),Mizunori Ezaki等在各种不同的衬底上用激光脉冲烧蚀法制备了用于二极管泵浦波导激光器中的Nd:YAG波导；,T.C.May-Smith等用激光脉冲沉积法在YAG衬底上制备了具有优良光学性能及低波导损耗(0.1dBcm-1)的Nd:GGG薄膜。,Sachiyo Fukaya等采用激光脉冲沉积法制备了Nd3+,Cr4+双掺的GGG固态波导薄膜。,开展的工作,1、使用脉冲激光烧蚀薄膜制备技术，以钒酸盐及钨酸盐为靶材，在不同的衬底上，制备出具有良好性能的纳米介质波导结构。,2、采用台阶仪、X射线衍射、X射线光电子能谱、卢瑟夫背散射、原子力显微镜、扫描电镜、棱镜耦合、荧光光谱及吸收光谱等表征手段，探索最佳的薄膜制备条件，以期获得性能优异的光波导薄膜，从而为波导器件的实用化奠定理论基础。,4.2.3、纳米半导体薄膜,应用,短波发光二极管（LED）、紫外探测器以及大功率、高温半导体器件,开展工作,应用脉冲激光烧蚀技术，对宽带隙半导体ZnO、GaN等纳米薄膜的制备、生长控制、生长机理以及光电性能等方面的研究，在此基础上再进行半导体光电器件方面的应用基础研究,THANK YOU！,
