改变薄膜生长模式和表面形貌的倏逝波调制器及调制方法

本发明属于薄膜和多层膜器件的生长制备和应用领域，具体涉及一种改变薄膜生长模式和表面形貌的倏逝波(evanescent waves)调制器及调制方法。

背景技术：

1、阻碍复杂功能材料实现集成光电子学应用的瓶颈是其薄膜的表面粗糙不平，这是因为绝大部分复杂功能材料在本性上以三维岛状(volmer-weber)模式或混合生长模式(stranski-krastanov mode)生长，因而不能生长出原子级平整表面，也就无法实现其集成电子学应用，典型例子是利用yba2cu3o7-δ等高温超导材料的高温超导电子学。薄膜生长的表面形貌是多尺度上的复杂问题，非常复杂。要获得薄膜的原子级平整表面，通常使用优化生长条件(温度、速率、气压、能量、动量、通量分布····)的方法，既耗时耗力，又未必成功，尤其是很多象yba2cu3o7-x这样的复杂化合物功能材料，其生长本性就是岛状模式，无论怎样优化生长条件也无法生长出原子级超平整表面，该本性决定了即使人类掌握了这类材料的全部的薄膜生长动力学细节知识，也不解决问题，必须利用外来效应把三维岛状生长人工调改成二维层状生长，才能使本性为岛状生长模式的复杂化合物薄膜生长出原子级平整表面，否则必然失败。

2、目前人类已知的两种比较普适的人工调制方法，一是表面活性剂(surfactant)方法，其适应范围有限，且带入杂质甚至表面应力；二是离子束辅助沉积法，它通过掠入射氩离子轰击薄膜生长的表面突出部分使薄膜变平整，由于入射离子在束流中的空间分布有一定的随机性，所以这个工作原理本身决定了该方法不可能使表面达到原子级平整度。因此必须寻找新的普适性的人工调制方法。

3、如图1所示，由重力把起伏水面拉回平整状态的现象可以获得启发：必须找到一种与重力作用类似的吸引力，作用在薄膜表面的吸附原子上，促进其向下扩散，抑制其向上扩散，且该作用首先必须使中性的吸附原子极化，总是吸引极化原子向界面运动。由此要求和思路可以找到倏逝波，其高梯度电场可以极化原子，产生单向的吸引力，把薄膜表面核岛上的吸附原子拉到低处，从而把三维岛状生长变为二维层状生长。与重力把起伏的水面拉回平整状态类似，全反射产生的倏逝波作用于吸附原子，其高梯度电场极化吸附原子，使之受到单向的指向界面的净吸引力，从而促进吸附原子向下扩散，抑制其向上扩散，调制生长模式，使薄膜表面平整化。

4、倏逝波调制就是一种普适、干净且能达到原子级平整的人工调制方法。比前两种人工调制方法更普适、更通用。原则上，入射激光的光场可以无限强，所以施加在吸附原子上的梯度力可以足够大——实际中即使因现实可用的激光其光强不够，所产生的倏逝波梯度力很小，但在高生长温度下，薄膜的表面吸附原子处在向上扩散和向下扩散的微秒平衡态中，很小的单向吸引力也会打破平衡，从而产生显见的调制效应，把薄膜的岛状生长模式转变为二维生长模式(包括层状生长模式layer-by-layer mode和阶梯流动式生长模式step-flow mode)。尽管人类还有其他个别的调制生长模式方法，但都是特殊情况特殊下的特殊办法，应用范围极窄，且没有普适性。所以，倏逝波调制方法可以称得上是第三种薄膜生长形貌的人工调制方法，而且更普适、更洁净。

技术实现思路

1、为了把复杂化合物功能材料的岛状生长模式(volmer-weber mode)或混合生长模式(s-kmode)人工调制为二维生长模式(层状生长模式layer-by-layer mode或阶梯流动式生长模式step-flow mode)，获得表面原子级平整的薄膜，以解决复杂化合物功能材料实现集成光电子学的应用的瓶颈问题，本发明提供一种改变薄膜生长模式和表面形貌的倏逝波调制器及调制方法，通过采用p偏振激光从基片内部入射到基片表面，在基片-薄膜表面产生倏逝波，利用倏逝波产生高梯度极化电场，极化吸附原子，使极化的吸附原子受到总是指向薄膜-基片界面的吸引力，从而促进吸附原子从成核上面向下(即向界面方向)扩散，抑制其向上扩散，因此把功能材料本性上的三维岛状生长模式人工调制为二维生长模式。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种改变薄膜生长模式和表面形貌的倏逝波调制器，包括样品夹、耦合器和光吸收片；样品夹的表面的方坑盛放并夹持同材质的透明基片；光吸收片包覆在样品夹的下表面；样品夹套入耦合器，耦合器的另一端接光纤；

4、所述样品夹用于夹持基片并控制入射激光的入射角，其由两块与基片同材质的晶体或非晶体形成的夹片组成，表面挖有长方体坑，在长方体坑中放置基片；所述样品夹把来自光纤并经所述耦合器导入的p偏振激光以大于全反射临界角的入射角入射到基片(镀膜前后都可称样品)的内表面上，在内表面产生全反射，同时相应地在外表面产生倏逝波场，倏逝波的电场作为高梯度场极化吸附原子，使之受到总是指向薄膜与基片的界面的净吸引力，从而促进样品表面核岛上的吸附原子的向下扩散，抑制其向上扩散，使薄膜表面平整化；

5、所述耦合器用于把光纤传来的激光耦合到样品夹中；

6、所述光吸收片用于吸收从基片反射回来的激光以及光路中漫散射的激光。

7、进一步地，所述倏逝波调制器以大于全反射临界角的入射角使用p偏振激光加热基片并在基片的内、外表面分别产生全反射和倏逝波场；利用该倏逝波场调制薄膜表面的生长模式，促进二维生长，使薄膜表面变平整；所述二维生长为层状生长模式或阶梯流动式生长模式。

8、进一步地，所述两块夹片由金属片固定，由弹簧片提供弹性夹持力，装入基片后由机械手旋转紧固螺钉，通过弹簧片夹紧基片。

9、进一步地，所述光吸收片的材料根据所用激光的波长选择最有利于吸收激光的材料；如果利用红外激光器产生倏逝波并加热基片，则采用红外吸收片；如果利用蓝光激光器产生倏逝波并加热基片，则采用蓝光吸收片。

10、进一步地，相对所述基片以对称几何入射另一束同样的激光，使吸附原子受到双倍的净吸引力，产生更强的调制效果。

11、本发明还提供一种改变薄膜生长模式和表面形貌的倏逝波调制器的调制方法，使用p偏振激光全反射在基片表面产生倏逝波场，用来吸引基片表面或成膜后的薄膜表面上的吸附原子，加强它们从成核或岛上向下扩散，抑制向上扩散，从而使薄膜表面平整化，具体包括：用光纤把激光束通过耦合器导入基片内，以大于全反射临界角的入射角入射到基片内表面上，加热基片并产生全反射，伴随全反射的在基片外表面产生的倏逝波场调制沉积原子的扩散，改变薄膜的生长模式，使薄膜的表面形貌平整化。

12、此外，本发明在应用中还需要用到高功率激光器来提供入射激光，用到检偏器来检测入射激光的偏振状态，用到热电偶或者红外测温仪对基片表面温度进行辅助测量等。

13、本发明还提供一种改变薄膜生长形貌的倏逝波调制器的调制方法，使用p偏振激光全反射在基片表面产生倏逝波场，用来吸引基片表面上的吸附原子，加强它们从成核或成岛上面向下扩散，抑制向上扩散，从而使薄膜表面平整化，具体包括如下步骤：用光纤把激光束通过耦合器导入基片内，以大于全反射临界角的入射角入射到基片内表面上，加热基片并产生全反射，伴随全反射的在基片外表面产生的倏逝波场调制沉积原子的扩散，改变薄膜的生长模式，使薄膜的表面形貌平整化。

14、有益效果：

15、本发明的调制器采用激光在透明基片内表面全内反射所产生高梯度的倏逝波电场，极化吸附原子，使之受到净吸引力，从而促进其从成核上面向下的扩散，抑制其向上扩散，从而把薄膜材料的本性上的三维生长模式人工调制成二维生长模式。为此，本发明设计了倏逝波调制器，把用来加热基片的激光同时用来产生倏逝波场，实现了调制薄膜生长模式的目的，为解决复杂化合物功能材料实现集成光电子学应用的瓶颈问题提供了解决方法。