Impulsslasersadestus

Sihtmärgi laserablatsioon ja plasma pilv-lehviku tekkimine

Laserikiirguse tõttu aset leidev ablatsioon ja plasma tekkimine on väga keerukad kirjeldamiseks. Aineosakeste eraldumine sihtmärgi pinnalt toimub tänu mittetasakaalulisele aurustumisele, mille kutsub esile Coulombi plahvatuseks nimetatav aine paiskumine ruumi. Selle raames langeb sihtmärgile laseri impulss, mis tungib ainesse kindla sisenemissügavuseni. Sisenemissügavus sõltub laserikiirguse lainepikkusest ja materjali murdumisnäitajast konkreetse laseri lainepikkuse korral. Enamiku materjalide jaoks on sisenemissügavus tavaliselt suurusjärgus 10 nanomeetrit. Laserikiirguse poolt tekitatav intensiivne elektriväli on piisavalt tugev, et sihtmärgi materjalist rebida välja elektronid sellise ruumala ulatuses, kuhu laserikiir suudab sisse tungida. See protsess on väga kiire. Kui kasutatakse nanosekundilisi laserimpulsse, toimub see 10 pikosekundi jooksul. Energia üleminekut võimaldavad siin mittelineaarsed protsessid (näiteks mitme footoni ionisatsioon). Neid protsesse võimendavad mikropraod pinnas, tühikud ja tihedamad kogumikud suurendades elektrivälja. Laserikiire tekitatud elektromagnetväljas võivad vabalt võnkuvad elektronid põrkuda sihtmärgi pinna-aatomitega, andes osa oma energiat kristallvõrele. Materjali pind kuumeneb seeläbi ja sihtmärgi materjal hakkab aurustuma.

Materjali sadestumine aluse pinnale

Kolmas etapp mängib olulist rolli kasvava õhukese kile kvaliteedi määramisel. Sihtmärgist ableerunud kõrge energiaga osakesed pommitavad intensiivselt alust ja seetõttu võivad vigastada juba kasvanud kile pinda, lüües sealt välja juba sadestunud aine osakesi või lihtsalt põhjustades defektide arvu suurenemist. Alusele sadestunud kilest välja löödud osakesed ja sihtmärgist tulev plasma moodustavad kokkupõrke regiooni ning selles vahemikus toimub põhiline osakeste kondensatsioon. Kui kondensatsioon toimub piisavalt suure kiirusega, saavutatakse termiline tasakaal ja õhukese kile kasvamine alusele toimub selle termilise tasakaalu ning otsese osakeste pealevoolu toimel.

Ajalugu

Impulsslasersadestus on üks paljudest õhukese kile kasvatamise meetoditest. (Näiteks molekulaarkiire epitaaksia (MBE), keemiline aurufaas-sadestus (CVD), ioonsadestamine (RF, magnetron, ioonkiir). Laserikiirguse abil kile kasvatamise ajalugu sai alguse veidi pärast esimese laseri ehitamist (1960 Theodore Maiman). 1965. aastal, mis oli kolm aastat hiljem kui F. Breech ja L. Cross uurisid laseraurustamist ja tahkeaine pinnaaatomite ergastamist, kasutasid 
Howard M. Smith ja A. F. Turner rubiinlaserit esimeste õhukeste kilede sadestamiseks. Siiski olid esimesed sel viisil saadud kiled kehvemad, kui teiste meetoditega (näiteks molekulaarkiire epitaaksiaga või keemilise aurufaas-sadestusega) saadud kiled. Kaheksakümnendate alguses saavutasid mõningad töögrupid (põhiliselt endises Nõukogude Liidus) väljapaistvaid edusamme laseri abiga õhukeste kilede kasvatamises. Läbimurre sündis 1987. aastal, kui D. Dijkkampil ja T. Venkatesanil õnnestus kasvatada YBa₂Cu₃O₇ (ütrumbaariumvaskoksiid on kõrgtemperatuurne ülijuhtiv materjal) õhukene kile. Nende laseri abiga kasvatatud kile oli kvaliteetsem, kui alternatiivsetel meetoditel kasvatatud kile. Sellest läbimurdest alates on impulsslasersadestamist kasutatud kõrge kvaliteediga kristalsete õhukeste kilede valmistamiseks. Seda tehnikat on edukalt kasutatud keraamiliste oksiidide, nitriidkilede, mitmekihilise metalli ja mitmete supervõrega struktuuride sadestamisel. Tänu üheksakümnendatel arenema hakanud uutele lasertehnoloogiatele, mis võimaldavad kõrgsagedusega ja lühikese impulsi kestvusega lasereid koostada, on impulsslasersadestusest saanud üks eelistatumaid tehnikaid, et saada kindlate parameetritega ja keerulise stöhhiomeetrilise koostisega õhukesi kilesid.