專利名稱：一種在線測量pld薄膜化學計量比及各成分質量的方法
技術領域：
本發明涉及脈沖激光沉積鍍膜領域，一種在線測量PLD薄膜化學計量比及各成分質量的方法。
背景技術：
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域的組分材料瞬間燒蝕，隨后燒蝕物將擇優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，并在基底表面凝聚、形核、生長、最后得到所需要的薄膜。在整個生長過程中，通常可在腔體內充入一定壓強的某種氣體，比如沉積氧化物時一般充入一定量的氧氣。PLD過程各個階段的持續時間從皮秒到微秒不等。PLD的主要優勢之一是薄膜的化學計量比和靶材材料的基本一致。但是，有多種因素會對薄膜的化學計量比有影響，例如:環境氣體種類、壓強、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計量比的轉移變得更加復雜，不能保證薄膜按照化學計量比生長。確定薄膜真實的化學計量比對形成高質量薄膜，具有重要意義。我們采用激光誘導擊穿光譜(LIBS)手段測量薄膜成分化學計量比，用石英晶體微天平(QCM)測量薄膜總沉積量以及厚度，將二者的結果結合，得到薄膜中各種成分的含量。激光誘導擊穿光譜(Laser-1nducedbreakdown spectroscopy,LIBS)可用來對未知成分的樣品進行定性和定量元素分析，能用來測定激光燒蝕產生物質的化學成分。當高能量脈沖激光束聚焦在靶材表面，極度預熱靶材一小塊體積，導致受輻照區域上方產生瞬態等離子體。等離子體羽發出的光和光強度依賴于被濺射出來的元素種類及其含量，用光譜儀分析發射的光譜，可得到定性或定量的分析結果。LIBS可原位同時分析多種元素，對被濺射出來的物質(也就是即將成膜的物質)進行實時快速測量，得到它們含量的百分比。對LIBS數據進行分析有多種方法。其中自由定標法不需要通過對標準樣品進行實驗測量得出定標曲線，而是直接根據得到的譜線的相對強度計算出分析組分的濃度。優點:無需定標物，程序簡化，成本較低；全元素測量；真正實現遠程在線實時分析。缺點:不考慮自吸收效應，對測量結果會有影響；需對所有的譜線進行分析，工作量相對較大。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效應，即壓電效應和質量負荷效應。借助檢測石英晶體固有頻率的變化，實現對薄膜厚度和淀積速率的監控，測量精度可以達納克量級。QCM具有結構簡單、成本低、分辨率高、靈敏度高、特異性好、可實時在線監測等優點，被廣泛應用于物理、生物、化學、醫學等各個領域。QCM用于監測薄膜的生長有很好的確定的空間位置和時間分辨率。它能在低熱通量區域提供材料獲得和損失的有價值數據。
發明內容
本發明的目的是:為了解決上述現有技術中的技術問題，提供了一種在線測量PLD薄膜化學計量比及各成分質量的方法，本發明基于脈沖激光沉積鍍膜技術、激光誘導擊穿光譜技術、石英晶體微天平測膜厚技術，用LIBS診斷成膜物種的種類以及各物種百分t匕，用QCM推算出總成膜質量JfLIBS和QCM 二者的測量結果相結合，得出各成分質量。本發明能夠在脈沖激光沉積鍍膜過程中，實時原位在線測量薄膜化學計量比，不會對鍍膜過程有干擾，并且方法簡單，易于實現。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:提供了一種在線測量PLD薄膜化學計量比及各成分質量的方法，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和環境氣體；
步驟2:將靶材7放在可旋轉靶臺6上，將基底9放在可旋轉基底臺8上；
步驟3:調節可旋轉靶臺6、可旋轉基底臺8、第一聚焦透鏡10、第二聚焦透鏡19的位置，使靶材7面對基底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，最遠測量距離依等離子體長度而定，靶材7位于第一聚焦透鏡10的焦點處、光纖15位于第二聚焦透鏡19的焦點處；
步驟4:用真空泵組11將真空室I抽成真空狀態，再用真空規14測量真空度，直至氣壓小于10_3mbar ;依鍍膜需要從進氣口 16充入相應氣體；
步驟5:依鍍膜厚度的需要，計算機18通過光纖光譜儀2自帶控制軟件設置激光脈沖數，調節激光器Q延遲時間，設置脈沖激光器4和光纖光譜儀2的時序，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，計算機18實時顯示并記錄石英晶體21共振頻率隨脈沖激光沉積鍍膜·時間的變化；
步驟7:用自由定標法分析LIBS信號，計算出薄膜中各個成分化學計量比；
測得的粒子的特征譜線強度可表示為:
權利要求
1.一種在線測量PLD薄膜化學計量比及各成分質量的方法，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)和環境氣體；步驟2:將靶材(7 )放在可旋轉靶臺(6 )上，將基底(9 )放在可旋轉基底臺(8 )上；步驟3:調節可旋轉靶臺(6)、可旋轉基底臺(8)、第一聚焦透鏡(10)、第二聚焦透鏡(19 )的位置，使靶材(7 )面對基底(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)的焦點處、光纖(15)位于第二聚焦透鏡(19)的焦點處； 步驟4:用真空泵組(11)將真空室(I)抽成真空狀態，再用真空規(14)測量真空度，直至氣壓小于10_3mbar ;依鍍膜需要從進氣口( 16)充入相應氣體； 步驟5:依鍍膜厚度的需要，計算機(18)通過光纖光譜儀(2)自帶控制軟件設置激光脈沖數，調節激光器Q延遲時間，設置脈沖激光器(4)和光纖光譜儀(2)的時序，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，計算機(18)實時顯示并記錄石英晶體(21)共振頻率隨脈沖激光沉積鍍膜時間的變化； 步驟7:用自由定標法分析LIBS信號，計算出薄膜中各個成分化學計量比； 測得的粒子的特征譜線強度可表示為:
全文摘要
本發明涉及脈沖激光沉積鍍膜領域，公開了一種在線測量PLD薄膜化學計量比及各成分質量的方法。首先，在脈沖沉積鍍膜過程中，用激光誘導擊穿光譜(LIBS)測量沉積的薄膜中各個成分化學計量比；然后，用石英晶體微天平(QCM)測量薄膜總沉積量；最后，將LIBS的結果和QCM的結果相結合，得到薄膜中各成分的質量。本發明基于PLD技術、LIBS技術、QCM測膜厚技術，將LIBS和QCM相結合，彌補了LIBS定量分析比較困難，QCM不能進行物質分辨的不足。本發明能夠在脈沖激光沉積鍍膜過程中，實時原位在線測量薄膜化學計量比，不會對鍍膜過程有干擾，并且方法簡單，易于實現。
文檔編號G01B7/06GK103196772SQ20131011372
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者丁洪斌, 吳興偉, 李聰, 張辰飛 申請人:大連理工大學