余昌峰 / 國立嘉義大學電子物理學系
機能性陶瓷薄膜的製備和應用一直是材料和工程科學的熱門領域。近年來，脈衝雷射鍍膜(PLD)技術作為一種先進的薄膜製程技術，已受到了廣泛關注。本文旨在探討脈衝雷射鍍膜技術在機能性陶瓷薄膜領域的應用，首先介紹PLD技術的基本原理，隨後闡述PLD製備條件如何影響陶瓷薄膜特性；繼而透過氧化鋅透明導電薄膜和氧化鎢電致色變薄膜的應用案例，說明PLD技術對機能性陶瓷薄膜製備和應用的影響和潛力。
【內文精選】
脈衝雷射鍍膜
1. 脈衝雷射鍍膜技術發展
PLD具備彈性且快速開發的物理氣相沉積方法，已成為製備機能性陶瓷薄膜的理想選擇之一。從1987年，貝爾實驗室成功利用PLD技術製備了Y-Ba-Cu-O高溫超導薄膜之後，PLD技術便引起國際研究機構的高度關注並開始蓬勃發展。PLD技術可以用於多種材料的沉積，包括金屬、陶瓷、半導體和高溫超導膜，如今已成為物理氣相沉積中可簡單與精確地控制薄膜成分，並得到廣泛應用的鍍膜或磊晶技術。
PLD技術是透過將高能量脈衝雷射光束引入固態前驅材料的靶材中，在脈衝雷射的瞬間高能量作用下，透過光激發或光子吸收過程，形成高能量激發的離子，隨後這些離子形成緻密的物質雲。在真空環境中，透過與注入氣體的相互作用，形成所謂的離子羽流(Plume)，其中包括帶電層的電子、離子和原子，相當於數千電子伏特的能量能蒸發並解離靶材，透過高速擴散、重新排列並沉積在基板上形成薄膜。
脈衝雷射鍍膜儀器概述
脈衝雷射鍍膜有一項十分強大的優勢，它是所有物理氣相沉積中，唯一允許從超高真空到毫巴尺度的寬壓力範圍內沉積的技術。PLD真空腔體內主要元件如圖一所示。PLD真空腔體中的真空是透過高抽幫浦和粗抽幫浦，實現最低工作壓力通常在10-6毫巴和10-9毫巴，靶材和基板支架之間的距離通常為5~20釐米，脈衝雷射光束由透明的石英或玻璃窗口引入，當脈衝雷射束引入作用於靶材時，會形成離子羽流並擴散到基板上，最終在基板上沉積形成薄膜。
圖一、脈衝雷射鍍膜系統
PLD所使用的脈衝雷射包括氣體雷射(如：KrF 248 nm、ArF 193 nm)或固態雷射(Nd-YAG摻釹釔鋁石榴石雷射)，由於其高輸出功率而得到廣泛應用。在PLD過程中，各項脈衝雷射參數(如：脈衝時間間隔大小)對雷射熱效應和燒蝕程度具有影響，大多數PLD系統使用奈秒雷射，最佳的薄膜生長條件通常在10奈秒至25奈秒的脈衝時間間隔大小範圍內，脈衝雷射的作用使固態材料轉化為氣相成分形成燒蝕離子羽流，這些帶電物質再透過高速擴散、重新排列並沉積在基板上，最終生成薄膜。
PLD製程條件因素如何影響機能陶瓷特性
1. Nd-YAG脈衝雷射鍍膜改變基板溫度與摻雜濃度對摻雜鎵氧化鋅(GZO)陶瓷薄膜導電特性之影響
氧化鋅(ZnO)被廣泛應用於透明導電薄膜(TCO)領域，為了調節氧化鋅的電阻率並增強其導電性，可以對氧化鋅進行摻雜。常見的摻雜元素包括：摻雜鋁的氧化鋅(AZO)與摻雜鎵的氧化鋅(GZO)，AZO或GZO薄膜皆具有良好的透明性和導電性能，被廣泛研究應用於顯示器、太陽能電池和光電元件等領域。
2. Nd-YAG脈衝雷射鍍膜功率密度對氧化鎢WO3陶瓷薄膜電致色變特性之影響
(2) PLD膜通入不同反應氣體O2與N2O製備氧化鎢陶瓷薄膜對電致色變特性之影響
藉由反應氣體的通入參與PLD製程，也是一項PLD的優勢。PLD鍍WO3薄膜時，透過改變氧化鎢薄膜製程的工作氣體，使薄膜中WO3薄膜摻雜氮(N)，並探討當WO3薄膜電致色變薄膜中摻雜N後，其電致色變特性之改變。PLD控制基板溫度與工作氣體壓力固定為200˚C與100 mTorr，改變製程時通入不同反應氣體O2與N2O，如圖三顯示，在光學分析中，各樣品著色前於可見光波段的穿透率皆保持在70%以上，元件在2.5 V電壓下，著色後改變的吸收波段則在500到1,100 nm較為顯著，WO3元件在2.5 V電壓下，觀察著色前後於830 nm處之穿透率差值ΔT，摻雜N製程下的WO3薄膜在830 nm波段處被阻隔有相對較好的表現，實驗中也發現摻雜N的WO3薄膜具有較短的著色、褪色響應時間，較高的著色效率和較低的啟動電壓，並具有較長的使用壽命。實驗證實，PLD膜通入的反應氣體也是控制機能性陶瓷薄膜特性的一項利器 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、通入不同反應氣體之氧化鎢陶瓷薄膜電致色變特性穿透光譜圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》442期，更多資料請見下方附檔。