PLD là kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách bắn phá một hay nhiều bia bằng chùm tia laser hội tụ công suất cao (khoảng 108W/cm3). Kỹ thuật này lần đầu tiên được sử dụng bởi Smith và Turner vào năm 1965 để chế tạo màng mỏng bán dẫn và điện môi và sau đó được Dijkkamp và các cộng sự sử dụng để chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao vào năm 1987. Kỹ thuật bốc bay này đã được sử dụng cho tất cả các loại oxit, nitrit, cacbua cũng như được sử dụng để chế tạo các hệ kim loại, thậm chí cả polymer mà vẫn đảm bảo hợp thức hóa học của thành phần màng. Hình 1.9 mô tả sơ đồ hệ bốc bay bằng xung laser.
Hình 1.9:Sơ đồ hệ bốc bay bằng xung laser. [1]
Bốc bay bằng xung laser là phương pháp bốc bay gián đoạn. Khi chùm laser công suất lớn bắn lên bia thì pha hơi của vật liệu được hình thành bốc bay một vùng mỏng của bề mặt bia. Vùng hoá hơi của bia chỉ sâu khoảng vài trăm đến 1000 Å. Khi ấy trên bề mặt của bia hình thành một khốí plasma hình ellip. Tốc độ đặc trưng của các phần
tử bốc bay đạt giá trị khoảng 3×105 cm/s,tương ứng với động năng 3eV [1]. Trong kỹ thuật PLD pha hơi của vật liệu được hình thành tại một vùng mỏng trên bề mặt bia. Khối plasma hình ellip được tạo thành trong chuông chân không cao. Vật liệu bia bốc bay dạng pha hơi này sẽ lắng đọng lên đế để tạomàng. Trong phương pháp này người ta có thể thay đổi nhiều thông số như năng lượng laser, tần số, nhiệt độ đế, áp suất khí và do đó mở rộng khả năng điều khiển tính chất của vật liệu cần chế tạo. Ngoài ra, gần đây kỹ thuật PLD còn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các cấu trúc dị thể, ứng dụng làm các tụ điện. Một trong các cấu trúc dị thể chế tạo bằng phương pháp PLD là PZT/La0.5Sr0.5CoO3(LSCO).
Màng sắt điện PZT đã được nhiều nhà khoa học trên thế nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp PLD [8].. Sử dụng laser để bốc bay vật liệu được thực hiện đầu tiên bởi Maher [37]vào năm 1979. Roy và các cộng sự đã đạt được thành công đầu tiên khi sử dụng PLD để chế tạo thành công màng SrTiO3 với dòng rò rất nhỏ 2 nA/cm2. Sau đó nhóm nghiên cứu của Ramesh [49] và Lin [36] đã chế tạo được màng PZT sử dụng PLD trên điện cực siêu dẫn YBCO với lực kháng điện thấp nhưng độ phân cực dư khá nhỏ 6 µC/cm2. Sau đó nhóm nghiên cứu này đã đạt được kết quả tốt hơn với màng PZT sử dụng đế yttrium zirconia [33]. Kỹ thuật PLD cho màng mỏng sắt điện trong các ứng dụng chế tạo bộ nhớ sử dụng laser excimer KrF có bước sóng 248 nm và tần số 5 Hz. Tốc độ lắng đọng thích hợp và chất lượng màng đạt được khi mật độ năng lượng là 2 J/cm2. Để đạt được sự đồng đều của màng, đế được quay trong quá trình lắng đọng. Sử dụng áp suất ô-xi cao trên 200 mTorr, Horwitz [18] đã chế tạo được màng PbZrxTi1−xO3 (0.4 x 1) với định hướng [001] trên đế các đơn tinh thể MgO và SrTiO3. Veradi và đồng nghiệp [61] phủ một lớp đệm TiN trên đế Si để chế tạo màng có định hướng chủ yếu [111]. Còn Roy và đồng nghiệp [51] đã công bố việc chế tạo màng PZT định hướng [110] trên đế Si phủ TiO2/Pt. Các nghiên cứu về vật liệu sắt điện dạng màng trên các đế đơn tinh thể SrTiO3 cho những kết quả tốt, dòng rò thấp so với vật liệu khối [57].
Pignolet và các cộng sự đã chế tạo thành công màng sắt điện trên diện tích khá lớn 20 cm2. Một điều đáng chú ý, nhóm nghiên cứu còn đạt được kết quả với giá trị lực kháng điện chỉ 20 kV/cm, điện trường bão hòa chỉ 1.1 V khi sử dụng PLD chế tạo màng mỏng SBT 200 nm. Giá trị này rất có ý nghĩa về mặt thương mại.
Phương pháp bốc bay bằng xung laser (PLD) có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp chế tạo khác với năng suất bốc bay cao, màng mỏng hình thành với cấu trúc và thành phần đúng hợp thức của bia. Quá trình bốc bay xảy ra rất nhanh đến mức sự phân hủy thành phần hóa học của vật liệu không kịp xảy ra. Tuy nhiên, trong phương pháp PLD có một số điểm cần lưu ý như:
- Thiết bị có giá thành cao, do nguồn khí sử dụng tạo laser là khi hiếm, điện áp cần để tạo xung là rất lớn, có thể lên đến 30 kV.
- Chỉ thích hợp cho các bia vật liệu xốp, cách nhiệt, hấp thụ ánh sáng mạnh, nên chi phí cho bia vật liệu đắt.
- Độ dày màng không đồng đều nếu tạo màng có kích thước lớn. - Tia laser nguy hiểm đối với người sử dụng, đặc biệt là mắt.
Hiện nay, công nghệ PLD (Pulsed laser deposition) đang được quan tâm và phát triển mạnh trong các phòng thí nghiệm hàng đầu trên thế giới nghiên cứu về vật liệu oxit chức năng [47, 53, 48, 55].