脈沖激光沉積（PLD）已經(jīng)不是什么新的技術了。脈沖激光沉積一般是用一個準分子激光沖擊目標物，激光脈沖氣化目標物上的材料，氣化后的材料在基板（工件）表面積聚，形成薄膜。PLD技術一個最主要的優(yōu)勢就是無論是基板（工件）還是目標物，都不需要具有磁性和導電性。
掃描系統(tǒng)在工業(yè)應用中也不是什么新技術了：小巧、輕質的反射鏡合并在這些系統(tǒng)中，用于在工件表面以極快的速度移動焦點位置。如今，普朗克固體研究所的科學家們研發(fā)出一種真正全新的技術：結合了掃描振鏡和PLD的成功技術。采用掃描鏡頭的創(chuàng)新激光沉積方法（CLD），打破了 PLD技術中焦點位置固定的局限。
皮秒級別崎嶇不平的表面
在PLD加工中，目標物上的可用區(qū)域是很小的，激光脈沖每次沖擊它的時候，它就會變得粗糙，激光會在表面爆炸出越來越多不均勻的“塊”，形成一個皮秒級別崎嶇不平的表面。于是，更大“塊”的粒子開始沉積在基板上，形成液滴。由于目標物只能夠提供材料單一的覆層，要實現(xiàn)多層覆層，就需要多個加工步驟。
還有一種方式是使用激光進行加工，僅需一個加工步驟就可聚焦在不同的目標物上，盡管每次切換聚焦點在不同的目標物都會造成覆層的不均勻。如果覆層需要結合多種元素，就可以使用一個“預混合”的目標材料，或在純元素組成的單個目標物之間快速交替聚焦。這兩種方法中的元素往往都是以一個稍有不同的比例聚集，這是取決于目標物中不同的消融率。
CLD加工
在CLD加工中，一個目標物可以為所有覆層提供元素。此外，該技術在加工中會產(chǎn)生復合層。這是通過在一個合適的幾何形狀里排列覆層元素得到的。
在CLD加工中，掃描振鏡將激光脈沖并列在一起，一行一行地掃描覆蓋整個目標物。這時加工使用整個目標物表面，同時用連續(xù)、完整的覆層系統(tǒng)為大面積基板覆層。在單層中，它甚至可以形成梯度，均勻地增加或降低覆層元素的濃度。
馬克斯普朗克研究所研發(fā)了這項新技術，將其作為用鋁鈦鈮覆層系統(tǒng)為藍寶石覆層這個項目的一部分。他們采用鈦盤作為目標物，在里面安置了楔形的分段目標物，并且以一個鈮圓盤為中心。這項實驗使用飛秒激光器，并保持目標溫度在25和500攝氏度之間。
沖擊目標物的激光波長為516納米，脈沖能量在0.3和0.6毫焦耳之間，脈沖頻率為1000赫茲。隨后，研究人員檢查了目標物和在基板上的沉積和元素。
沒有液滴形成
這一系列的實驗表明，PLD的最大困難是液滴的形成甚至不會發(fā)生。總的來說，得益于飛秒激光器的高頻率脈沖，新的CLD技術能夠轉移更多的材料。然而，超短脈沖激光單脈沖消融量雖然較少，但能更均勻地消融目標材料。
此外，焦點的位置是在目標物上不斷移動的，而不是在同一點上不斷沖擊，這使其表面非常光滑。實驗中所用的基材，精選混合均勻的鋁鈦鈮涂層顆粒，尺寸在20和200納米之間。在25攝氏度和500攝氏度，覆層之間的差異可以忽略不計。
所有這三個組成部分能在任何溫度下積累成結晶，而不形成合金。1 : 1 : 1 的理想組合使覆層能夠實現(xiàn)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當目標燒蝕率改變時，在沉積覆層中的元素也立即會有相同比例的變化。
此外，科學家們發(fā)現(xiàn)，掃描線的位置可以直接控制組件的消融率，沉積覆層的檢查結果表明，消融率和沉積率也隨著激光功率產(chǎn)生相應比例的變化，是一個快速并且“無阻力”的變化。因此，激光輸出功率，目標物上掃描線的位置和目標的運動都是能精確控制的加工參數(shù)。
激光為王牌
成就這個工藝的王牌就是激光器。通快公司使用TruMicro激光器進行實驗，實驗表明一個高生產(chǎn)率和穩(wěn)定的覆層過程可以通過工業(yè)皮秒激光器來實現(xiàn)。通過使用更強大的激光器，更短的脈沖和更高的重復率可以提升工藝的速度，這一加工還能進一步發(fā)展。
因此，隨著科學家們繼續(xù)研發(fā)飛秒級別的工業(yè)激光器，CLD技術將變得越來越穩(wěn)定。CLD技術具有為大型基板，如平板顯示器和太陽能電池板覆層的能力，并且加工成本低，加工速度快，與PLD技術相比，前景更加廣闊。
更多信息
自1998以來，這篇文章的作者Dieter Fischer博士一直在普朗克固體研究所致力于研究原子的固體合成。研究最終推進了Martin Jansen教授在CLD技術研究方面的發(fā)展。
不同的覆層系統(tǒng)可以通過以不同的方式在目標物上排列的元素來獲得：目標物1、產(chǎn)生A層：B層，目標物2、產(chǎn)生交替的A層和B層。目標物3、在C層中交替插入A層和B層，目標物4、產(chǎn)生一個相應變化比例的A層：B層 。目標物5、先沉積一個純的C層，接著依次產(chǎn)生交替的A層：C層和B層：C層。
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