PLD技术在薄膜制备方面的优势和特点:

脉冲激光沉积技术是目前最有前途的制膜技术, 利用PLD技术制备薄膜具有非常好的可控性和可设计性, 可通过控制材料成分、激光能量密度、气压、气体、基底材料、沉积角度等, 来实现薄膜的各种功能和结构. 另外, PLD 可以在室温下进行沉积; 然而, 目前PLD还有一些技术和工程上的难题需要解决, 例如, PLD会出现相爆炸等效应, 引起大颗粒飞溅, 从而增大薄膜的表面粗糙度, 降低薄膜质量; 另外, 大面积均匀沉积也是目前PLD实现大规模工业化生产的一大瓶颈;

芬兰Pulsedeon的ColdAb技术全球首创基于皮秒, 飞秒超短脉冲激光薄膜沉积技术, 可从源头遏制引起薄膜不均匀的微粒及飞溅效应, 且配合独特的设计和功能配置, 从而被证实在制备大面积超高质量薄膜方面优势显著, 且可实现全自动产业化.凭借这些独有技术优势, Pulsedeon受邀成为欧盟LISA锂硫电池, PulseLion全固态电池项目中PLD薄膜沉积工艺独家参与者.

PLD制备高性能薄膜拥有非常多的优势，其特点总结如下:

1）PLD制备的薄膜材料类型非常广泛。由于高能量密度的激光可以烧蚀大多数材料，包括难融材料和特殊材料，并且材料之间还可以组合成复合材料，这又大大提高了可制备材料体系的丰富度，因此脉冲激光制备的薄膜材料几乎不受材料类型的限制，拥有十分庞大的材料体系。

2）PLD制备的薄膜结构和形貌可控。PLD可以通过控制激光能量密度、背景气压、背景气体种类、基底材料种类、基底温度、沉积倾斜角度等参数实现对产物结构和形貌的控制，实现不同晶体结构、不同疏松度形貌、不同颗粒形状尺寸薄膜的制备，这使得薄膜性能具有非常好的可调控性。

3）利用PLD的保组分性能够很容易地实现薄膜成分控制，易获得期望化学计量比的多组分薄膜，有利于制备多元复杂化合物和合金薄膜。

4）薄膜生长所需的基底温度相对较低，且与基底结合力强。由于高能量密度的脉冲激光轰击的原子(离子)具有很高的能量，不需要很高的基底温度就可以在基底表面自由迁移，因此与传统方法相比，PLD的薄膜生长温度明显更低，甚至可以在室温下沉积高质量的薄膜，在不耐高温的柔性基底上沉积薄膜以制备柔性器件。

5）沉积效率高。文献中所报道的PLD沉积效率可达10 μm/min以上。

PLD技术可制备哪些高性能薄膜？

由于高能量密度激光可烧蚀大多数材料包括难熔材料和特殊材料，且材料之间还可组合成复合材料，从而大大扩展了可制备的材料体系，涵盖了金属薄膜、化合物（金属/非金属/有机）薄膜、合金薄膜、碳薄膜、复合薄膜等。

1）金属薄膜

金属薄膜材料是成分最简单的薄膜材料之一，制备时只须控制薄膜的颗粒尺寸、形貌、厚度等参数，并避免其被氧化，金属常常被用来研究沉积参数对薄膜结构和形貌的影响。由于脉冲激光烧蚀靶材的过程是高能量输入的过程，在制备时靶材极易被氧化，因此制备金属薄膜材料时大多数都在高真空下或惰性气氛下进行，对于一些活泼性很弱的金属，在大气下也可以进行沉积。

目前，PLD制备的金属薄膜比较常见的是金、银、铜等活泼性较弱的金属，当然也有铌、铝、铁等活泼性较强的金属，如图1所示。通过控制薄膜的结构，可得到不同功能的薄膜，并在传感、表面增强拉曼散射、低温超导、光热转换材料等领域都有着广泛的研究。

2）合金薄膜

与单质金属薄膜相比，合金薄膜可以综合各种金属的优势和特点，获得单质金属薄膜不具备的或者更优异的性能，因此具有十分巨大的研究和应用价值。PLD技术不仅可以制备简单的二元体系合金薄膜，还可以制备成分十分复杂的多元体系合金薄膜。目前利用脉冲沉积制备合金薄膜的应用十分广泛，但是其内部的一些冶金机理仍需探索，并且更多的合金体系也有待开发和研究。

二元体系合金薄膜如Ag-Au、Ag-Cu、Pt-Ru、Pd-Ag、Ti-Pd等合金体系都已经实现制备，并成功应用于燃料电池、氢气传感等领域。其中，PLD制备的过饱和AgCu合金纳米颗粒薄膜，相比于单质银纳米颗粒薄膜，在电子封装领域具有很好的应用前景；PLD制备的PdAg合金薄膜，具有氢气传感特性，可用来制备光纤氢气传感器。

3）碳薄膜

目前PLD技术已成为制备碳薄膜材料的一种重要手段。PLD制备的碳薄膜主要有石墨烯薄膜、类金刚石(DLC)薄膜以及纳米结构多孔碳薄膜等。

石墨烯由于具有优异的光学、电学、力学特性，其制备和应用的研究一直备受关注。近年来，PLD技术成为生长石墨烯的新方法。2010年PLD技术首次被利用制备出了平均厚度小于8 nm的透明多层石墨烯。DLC薄膜是一种富含金刚石相(sp3键)的非晶碳薄膜，在摩擦学、力学、光学等领域受到广泛关注。

PLD技术除了可以制备石墨烯和DLC薄膜外，还可以制备其他形式的纳米结构碳薄膜，如无序泡沫碳结构薄膜，雪花状、方块状以及四角星状三种特殊纳米结构的碳薄膜。

4）化合物薄膜

利用PLD技术制备得到的金属化合物薄膜和非金属化合物薄膜，已经被广泛应用于新能源、光电、传感、超导等领域。

化合物薄膜是目前最为常见、应用最为广泛的材料类型。由于PLD具有高保组分性，因此通过控制靶材成分便可以实现对薄膜组分的控制，可以制备氧化物、氮化物、硫化物以及成分更为复杂的化合物薄膜，在制备复杂化合物方面具有较大的优势。

此外，由于PLD是一个高能过程，因此也可以通过选择背景气体类型，在沉积过程中使背景气体与等离子体反应来实现化合物薄膜生成和成分控制。相比于单质金属薄膜，化合物薄膜的制备机理更为复杂，对成分控制要求更为苛刻，并且对晶体结构的控制也十分重要，因此其材料体系的丰富程度远远大于单质的金属薄膜。常见的有TiO2、InSe、SnSe2、GaSe、BN、BP等简单二元化合物，以及NiFe2O4、PbMn1/3Nb2/3O3等成分十分复杂的多元化合物薄膜。

5）复合/多层材料薄膜

复合材料薄膜具有很好的结构可设计性，并且能够综合多种材料的优点，因此成为了目前研究的热点，PLD技术也因为其制备薄膜的众多优势而成为复合材料薄膜制备的重要手段之一。

利用PLD连续沉积的多层复合薄膜是较为常见的复合材料薄膜形式。除了多层复合薄膜外，PLD技术还可以制备具有特殊结构的复合材料薄膜，利用材料优势实现特殊功能，为薄膜材料体系的拓展提供了新思路。

PLD技术制备高性能薄膜的应用热点

PLD技术能够制备类型广泛且性能优异的功能薄膜，因此目前被广泛地应用到光电、新能源、生物、超导、电子封装、催化、传感等领域。

1）光电领域

近年来，PLD制备二维薄膜在光电领域的研究十分火热，展现出良好的应用前景。如应用于高速宽带光电二极管的多层MoTe2/Si2D-3D垂直异质结、厘米级高质量Mo0.5W0.5S2薄膜、柔性二维Bi2Te3SnS-Bi2Te3光电探测器、晶圆级高质量的二维InSe薄膜、掺镓氧化锌(GZO)透明导电薄膜等，推动了高性能光电探测器和光电器件的发展。然而，目前PLD制备二维薄膜材料的研究还处于起步阶段，仍有大量的二维薄膜材料有待合成并应用于光电探测领域，PLD技术制备的二维薄膜在光电领域拥有广阔的发展空间。

2）新能源领域

能源问题是目前人类面临的重要挑战人类亟待探索和开发新能源的获取和利用方式。PLD技术由于能够制备能源器件中所需的高性能功能薄膜而被广泛应用于新能源领域，如太阳能光伏电池中的光致发光材料以及燃料电池、锂电池中的电极等。

如SrAl2O4∶Eu2+、Dy3+ (SAED)薄膜，具有光致发光性能，有望使太阳能电池能够在黑暗中工作，为太阳能电池提供了一个新的应用领域。

CO3O4薄膜与TiO2形成的异质结作为光吸收材料，可应用在新型全氧化物太阳能光伏电池中。

GaN-Cu纳米棒电极，作为锂离子电池的理想阳极被首次证明，开创了GaN在储能领域的新应用，使其有望成为高安全性能、高能量密度的先进电池组件。

LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2/Au复合薄膜的出现，作为锂离子电池的阴极材料，为锂离子电池的薄膜阴极提供了一种新的选择。

3）生物领域

目前，具有抑制生物膜形成能力的材料在生物领域引起了人们极大的兴趣，制造“微生物惰性”表面近年来已经成为一个较为火热的研究方向。目前PLD技术在生物领域比较常见的应用，是制备具有抗菌性能和生物相容性的金属和金属氧化物涂层。

PLD技术在生物领域除了制备抗菌涂层外，还在生物监测方面有所应用。如PLD技术制备的高灵敏度表面声波(SAW)传感器，用于监测动物血清和细菌生长介质中细菌生物膜的生长，该技术可与射频无线通信技术相结合，用于植入式生物膜早期检测和预防感染。

4）超导领域

超导材料的制备对PLD技术的发展和应用具有十分重要的推动作用，自1987年贝尔实验室利用PLD技术，制备具有高温超导特性的Y-Ba-Cu-O (YBCO)薄膜，PLD技术才开始受到关注并蓬勃发展。因此，PLD在超导材料制备领域具有悠久的历史并且应用十分广泛，至今研究还十分火热。如FeSe单晶超导薄膜有望成为超导电子器件的候选材料。

5）电子封装领域

利用PLD技术制备纳米结构封装材料是最近几年在电子封装领域兴起的应用。相比于传统的钎料和银焊膏，PLD技术能够制备不含有机物的纳米颗粒薄膜，其有望在第三代半导体功率器件中作为芯片贴装材料进行应用。

6）其他领域

除了上述提到的几个领域外PLD制备的薄膜还在其他的许多领域有所应用，如摩擦学、传感、催化、表面增强拉曼散射等。下面简单列举这些领域的一些典型应用。

未来展望

PLD制备的薄膜材料众多，应用领域广。利用PLD技术制备高性能薄膜已经成为一个热门的研究方向。此外，激光器成本降低和功率提高使这项技术受到了更多的关注和研究，且可广泛应用在光电、新能源、生物、超导、电子封装等领域。然而，目前PLD还有一些技术和工程上的难题需要解决。例如，PLD会出现相爆炸等效应，引起大颗粒飞溅，从而增大薄膜的表面粗糙度，降低薄膜质量。另外，大面积均匀沉积也是目前PLD实现大规模工业化生产的一大瓶颈。

从技术的角度来看，PLD微粒控制技术的不断发展能够极大改善大颗粒所带来的表面问题。另外，大面积均匀沉积技术的研究以及大面积薄膜的制备，近年来也一直在向前发展，目前已经实现了8 inch(1 inch=2.54 cm)的大面积均匀性沉积，未来突破脉冲激光大面积高效均匀沉积的瓶颈以及大规模应用是完全可能的。

从工艺的角度来看，随着激光技术的不断进步，应用于PLD技术的激光类型将会从长脉冲纳秒激光向皮秒、飞秒等超快激光发展。从薄膜材料制备的角度来看，鉴于PLD技术所拥有的极强可控性和可设计性以及对材料的广泛适用性，PLD制备高性能薄膜材料及其应用还有十分广阔的空间和良好的应用前景。

PLD应用案例分享-新型固态锂电产业化：

Pulsedeon的PLD系统能实现单个腔体内生产锂电的所有层, 且可自行调节密度/孔隙率从全密度到70%孔隙率, 可控气氛中的多样复合化学计量, 结晶和非结晶控制, 薄锂金属层, 微米/纳米复合薄膜, 卷对卷多层结构薄膜,用于阳极和阴极隔膜, 固态电解质, Barriers等功能薄膜.

作为PLD行业技术领导者, Pulsedeon首创基于皮秒, 飞秒超短脉冲激光薄膜沉积技术, 且突破行业对于卷对卷连续工艺, 产业级大面积全自动高效率需求, 以及自制PLD专用高品质多种类靶材, 凭借这些独有技术优势, Pulsedeon受邀成为欧盟LISA锂硫电池, PulseLion全固态电池项目中PLD薄膜沉积工艺独家参与者.

欧盟PulseLion全固态锂电电池应用案例：

PulseLion项目获得了欧盟地平线及欧盟研究与创新计划的资助, 并联合全欧固态电池行业中最知名的15个研究单位及企业, 致力于突破行业技术瓶颈并将第四代全固态电池技术大规模制造产业化; 该项目中PLD作为工艺最关键一环, 其核心应用是超薄锂金属阳极、超高离子导电率固态电解质及各种隔膜层和缓冲膜等关键技术解决方案均由Pulsedeon公司独家供应. 除了PLD薄膜沉积工艺外, 其专用高品质靶材也均由Pulsedeon制备供应.

欧盟LISA锂硫电池应用案例：

欧盟LISA新型固态锂硫电池项目, 致力于解决固态锂硫电池稳定产业化瓶颈,  Pulsedeon作为关键薄膜沉积技术独家参与者, 提供了从实验级到产业级的PLD相关技术工艺和材料, 其中包括 “集流体及隔膜上多个工艺多层薄膜沉积”; “金属锂阳极制备沉积”; “陶瓷薄膜沉积层的制备”; “固态电解质的制备及优化工艺”; “用于R2R PLD中试涂层生产的SSE”; “锂硫电池实验级到产业化大面积薄膜沉积制备工艺”等环节.

芬兰Pulsedeon公司PLD技术介绍：