一种脉冲激光沉积装置及利用其制备梯度成分材料的方法

本发明属于梯度材料制备，具体涉及一种脉冲激光沉积装置及利用其制备梯度成分材料的方法。

背景技术：

1、梯度成分材料是两种或多种材料复合且成分呈连续梯度变化的一种新型复合材料，其综合性能良好，研究之初是为解决航空材料应力释放、抗氧化和热冲击抗性等问题。其主要的设计目的是利用属性连续变化的材料来降低几种普通均匀材料界面间的残余应力，以及能够利用梯度材料成分的连续变化，使热膨胀系数不同的异种材料实现连接。其在工业上的大规模生产发挥重要的作用，但其确定性梯度仍然难以控制。

2、现有的梯度成分材料制备方法包括化学气相沉积、粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔敷法、以及电弧增材法等方法，其中，等离子喷涂法和化学气相沉积法由于沉积效率不高，只适用于制备涂层，目前使用的粉末加工和制造方法，合成梯度材料的制造成本非常高。与基于粉末的工艺相比，基于弧焊的送丝沉积方法明显降低了材料供应成本，提高了沉积速率，降低了氧化物污染的概率。迄今为止，基于线弧的增材制造工艺已经初步研究并应用于钛合金和铝合金等各种材料的结构制造。但是电弧增材制造工艺方法并不能应用于制备薄膜材料，其优势主要在于制备大结构金属件。

3、在增材制造制备梯度成分材料方面，上海交通大学张新宇等人提出了一种激光同轴送粉增材制备梯度成分材料的方法(cn112170842a)，其采用激光熔敷的方法，只需要使用单一组成的合金粉末原料，通过控制激光功率密度，可以制得梯度成分材料，其适用于制备涂层以及块体材料，不适用于制备薄膜材料。

4、在利用脉冲激光沉积(pld)技术制备梯度成分材料方面，吴琛等人提出了一种掺杂磁性梯度材料的制备方法(cn105575771b)，该方法通过制备多种不同磁性的靶材，并放置于多靶材pld沉积系统里，通过沉积具有不同磁性离子浓度的多层膜，在磁性半导体薄膜中形成垂直于薄膜表面的磁性离子梯度，其特点在于通过制备多种不同磁性的靶材来实现梯度成分材料的制备，但是其梯度成分并不是连续的，不能在制备过程中实现成分连续变化。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在梯度成分材料制备过程不可控等问题，本发明提供了一种脉冲激光沉积装置及利用其制备梯度成分材料的方法。

2、具体来说，本发明提供了如下的技术方案：

3、一种脉冲激光沉积装置，包括反应腔和激光装置；

4、所述反应腔的内部包括用于支撑第一靶材的第一靶托、用于支撑第二靶材的第二靶托、用于支撑衬底的样品托；

5、所述激光装置包括激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、反射镜、第一扫描振镜、第二扫描振镜；

6、所述第一半波片用于对所述激光器出射的初始脉冲激光进行偏振方向调节，形成第一脉冲激光；

7、所述第一偏振分束器用于将第一脉冲激光分为反射的s偏振光和透射的p偏振光，透射的p偏振光形成第二脉冲激光，反射的s偏振光形成第三脉冲激光；

8、所述反射镜用于将所述第二脉冲激光反射至所述第一扫描振镜；

9、所述第一扫描振镜用于使所述第二脉冲激光在所述第一靶材的表面扫描；

10、所述第二半波片用于对所述第三脉冲激光进行偏振方向调节，形成第四脉冲激光；

11、所述第二偏振分束器用于将第四脉冲激光分为反射的s偏振光和透射的p偏振光，透射的p偏振光形成第五脉冲激光，反射的s偏振光形成第六脉冲激光；

12、所述第二扫描振镜用于使所述第五脉冲激光在所述第二靶材的表面扫描。

13、本发明通过设计适配于单激光器实现双束激光的激光光路和双靶材双光束脉冲激光沉积装置，可将单束脉冲激光分为两束入射功率均可精准调控的脉冲激光，两束脉冲激光同时轰击异种靶材，异种靶材表面的等离子体经过混合，从而在衬底表面沉积单层合金薄膜。通过控制半波片镜片的旋转(用半波片控制脉冲激光的偏振方向，偏振分束器根据脉冲激光偏振方向决定透射脉冲激光和反射脉冲激光的功率大小。半波片可连续改变脉冲激光的偏振方向，从而调节分束后两束脉冲激光的功率比例)，可在沉积过程中实现激光功率连续变化，使轰击出异种靶材等离子体的成分浓度连续变化，经过混合后实现单层薄膜成分的连续变化，在厚度方向上形成梯度成分，从而完成梯度成分材料的制备。

14、在实际应用中，本发明所提供的装置可根据梯度成分材料设计思路，设计激光功率分配方案，通过调节第一半波片和第二半波片角度，在制备过程中实现功率连续变化，从而实现所制备的材料梯度成分连续变化。

15、与仅采用“第一半波片+第一偏振分束器”进行两束激光功率调节的方案相比，本发明所述装置通过设置特定的“第一半波片+第一偏振分束器”和“第二半波片+第二偏振分束器”的组合，可在激光轰击过程中，控制其中一束激光功率不变，另一束激光功率精准调控逐渐增加，从而在一个靶材表面所激发的等离子体不变，另一个靶材表面所激发的等离子体逐渐增加，使该靶材在薄膜中所占成分逐渐增加，所得材料梯度成分变化的连续均匀度显著提高。

16、与采用两个激光器分别射出脉冲激光轰击异种靶材的方案相比，本发明以单激光器通过所设计的光路，通过扫描振镜和场镜协同两束激光可以制备出梯度成分变化更为均匀的材料，而双激光器方案无法实现两束激光的协同，在梯度成分上无法实现连续变化，同时成本更高。

17、作为优选，所述激光装置位于所述反应腔的外部，所述反应腔的腔壁上设置有用于透过脉冲激光的窗口。

18、作为优选，所述激光装置还包括光束终止器，所述光束终止器用于吸收所述第六脉冲激光。

19、作为优选，所述激光装置还包括第一扩束器、第二扩束器、第三扩束器；

20、所述第一扩束器用于将所述初始脉冲激光进行准直和扩束后射入所述第一半波片；

21、所述第二扩束器用于将所述第二脉冲激光进行准直和扩束后射入所述第一扫描振镜；

22、所述第三扩束器用于将所述第五脉冲激光进行准直和扩束后射入所述第二扫描振镜。

23、作为优选，所述第一半波片和第二半波片分别由旋转电机控制角度变化，所述旋转电机与控制器电连接，所述控制器用于控制所述旋转电机进行动作，使得第一脉冲激光的偏振方向发生变化。。

24、本发明还提供一种利用上述的脉冲激光沉积装置制备梯度成分材料的方法，包括以下步骤：

25、在反应腔内固定好所述第一靶材、第二靶材和衬底，并控制所述第一靶材、第二靶材和衬底旋转；(所述衬底和所述第一靶材、第二靶材相向而置)

26、开启所述激光器出射初始脉冲激光，通过控制所述第一半波片和所述第二半波片的角度大小，调节所述第二脉冲激光和第五脉冲激光的功率大小；

27、所述第一靶材被第二脉冲激光轰击，所述第二靶材被第五脉冲激光轰击，从而烧蚀出相应的等离子体，经混合后沉积在所述衬底上，获得梯度成分材料。

28、作为优选，所述激光器为纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器中的一种。

29、作为优选，所述激光器出射的频率为200khz-800khz，功率为20w-100w。

30、作为优选，当需要调节所述第一半波片和/或所述第二半波片的角度时，角度旋转速度为0.1°/min-25°/min。

31、作为优选，所述第一靶材和第二靶材的材料选自银、金、锡、锑、铋、铟、铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、钼中的至少一种，且所述第一靶材的材料不同于所述第二靶材的材料。

32、作为优选，所述第一靶材和第二靶材到衬底的距离相同，均为30mm-50mm。

33、作为优选，所述反应腔的沉积氛围为真空环境、惰性气氛(如n2、ar)、还原性气氛(如甲酸)中的一种。

34、进一步优选的，所述惰性气氛(n2、ar)或还原性气氛(甲酸)的压强为10-5000pa(绝对压强)；所述真空环境的压强为1×10-1-1×10-5pa(绝对压强)。

35、本发明的有益效果至少在于：

36、本发明提供一种脉冲激光沉积装置及利用其制备梯度成分材料的方法，利用双束可控功率脉冲激光对双金属靶材进行烧蚀，在烧蚀过程中，根据所设计的材料改变其中一束脉冲激光功率的大小，使单一靶材烧蚀出的等离子体随激光功率连续改变而产生连续改变，从而在厚度方向上产生梯度成分，可解决现有梯度成分材料制备方法存在的制备过程不可控等问题。利用本发明提供的脉冲激光沉积装置制备梯度成分材料的方法操作简单可控，仅需梯度成分材料的目标靶材，无需使材料合金化，而且激光调控过程和激光沉积过程可集成于操作系统，不受实验技术熟练程度的制约。