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　　综述：关于通过PLD和RPLD技术制备的金属、类金属和镧系元素及其二元化合物薄膜的最新进展

　　本文综述了激光烧蚀与沉积技术的最新进展，这些技术已应用于超过50种元素，包括金属、类金属和镧系元素，制备出多种薄膜形式的化合物。激光沉积过程在高线Pa的压力范围内进行，即脉冲激

　　本文综述了激光烧蚀与沉积技星空体育科技有限公司术的最新进展，这些技术已应用于超过50种元素，包括金属、类金属和镧系元素，制备出多种薄膜形式的化合物。激光沉积过程在高线

　　Pa的压力范围内进行，即脉冲激光沉积（PLD），或在不同反应性气体环境（O

　　等）下进行，称为反应性脉冲激光沉积（RPLD），旨在形成具有理想化学成分的薄膜。尽管少数金属因缺乏直接技术兴趣而未以纯金属薄膜形式沉积，但其他金属如碱金属和碱土金属，由于与氧气、水蒸气和氢气分子具有极强的反应性（即使在超高压真空（UHV）系统中，压力为10

　　Pa时这些气体仍存在），无法以纯金属形式沉积。此外，门捷列夫元素周期表中原子序数高于88的元素，如锕系元素和合成元素，因其高放射性而难以处理并以薄膜形式沉积，因此本文综述将其排除在外。本文综述纳入非金属碳（C）及其相关化合物（通过PLD和RPLD制备）的薄膜，是基于该领域广泛的研究和大量科学文献。所有通过PLD和RPLD技术获得的结果均以表格形式讨论和呈现，以指导读者。

　　本文综述了通过脉冲激光沉积（PLD）和反应性脉冲激光沉积（RPLD）技术制备金属、类金属、镧系元素及其二元化合物薄膜的研究进展。主体部分从物理过程和烧蚀机制出发，详细阐述了激光与材料相互作用、羽流膨胀、反应性沉积及薄膜生长等关键环节，随后按元素类别系统分析了各组元素的沉积可行性、主要化合物及应用。最后总结了研究现状并展望了未来方向。

　　激光烧蚀物理气相沉积已从早期实验发展成为一种成熟的薄膜合成方法，广泛应用于材料科学、光子学和微纳电子学。PLD通过高功率密度激光脉冲烧蚀靶材产生瞬态等离子体羽流，将原子、离子、团簇等输运至衬底，实现非平衡条件下的薄膜生长。该技术虽能制备多种新型化合物和亚稳相，但存在颗粒/液滴沉积和产率低等问题，限制了工业应用。对于金属、类金属和镧系元素，PLD/RPLD提供了机会，但受物理化学性质约束，例如高活性碱金属和碱土金属难以纯金属沉积，因为烧蚀物种的高动能会加剧与残余气体的反应。本文旨在综述现有文献，并关联“沉积了什么”与“为什么能或不能沉积”，强调烧蚀机制、羽流动力学、气相反应和生长机制，以识别知识空白和技术瓶颈。

　　激光脉冲在靶材表面浅层被吸收，根据靶材光学/热学性质、激光波长和脉冲持续时间，产生快速加热或非热激发。超过烧蚀阈值（以J/cm2计）时，材料以原子、离子、纳米颗粒/团簇及微米级液滴等形式喷射。对于金属靶材，光学反射率和吸收深度影响能量耦合效率，因此PLD研究常采用紫外准分子波长（如248 nm）和倍频Nd:YAG谐波，以优化烧蚀效率并改变羽流中动能和电荷态分布，从而影响薄膜生长。

　　Pa）中，羽流经历较少碰撞的膨胀，高能物种到达衬底可促进致密薄膜，但可能产生缺陷或再溅射。引入背景气体（惰性或反应性，如Ar、O

　　3、CH4）时，碰撞使羽流变宽、减速，改变物种能量和到达角，影响成核与生长模式。压力依赖性热化有两个直接影响：一是改变颗粒物轨迹和粘附，控制薄膜光滑度；二是控制RPLD中的反应化学路径，薄膜成分取决于烧蚀化学计量、气相反应和表面反应等耦合过程。**2.3 反应性PLD（RPLD）：化学与化学计量控制**RPLD通过引入反应性气体，使化合物在羽流飞行或生长表面形成。常用于制备氧化物、氮化物、碳化物等二元相。碰撞频率（ν）由气体密度、碰撞截面和相对速度决定，镧系元素因原子质量大需要更高背景压力以实现足够散射，防止高能轰击破坏化学计量。薄膜化学计量受耦合的化学、热力学和动力学过程控制：烧蚀物种的化学活性、碰撞频率以及衬底对反应性物种的吸附能力。对于金属，动能起主导作用；对于镧系和类金属，吉布斯自由能（ΔG）决定相稳定性。低激光通量可获得最低液滴密度，但高通量提升结晶度和致密度。氮化物沉积中，氮含量随气体种类和压力增加而增加。**2.4 薄膜生长：高能沉积、微观结构与颗粒物**PLD/RPLD是高能沉积过程，烧蚀物种具有高于热平衡过程的动能，可导致从单晶外延到非晶金属或氧化物的多种生长路径。但高激光通量可能引起再溅射、增加缺陷密度。通过控制环境压力和激光参数可平衡这些效应，影响晶粒尺寸、织构、残余应力和电学性能，以及氧/氮空位浓度。颗粒物/液滴是持续存在的限制，主要通过羽流过滤、几何选择、靶材调节或合适激光参数来缓解。低熔点金属在纳秒照射下更易通过熔融排出形成颗粒，而超短脉冲可抑制此类机制。**2.5 技术与诊断**典型实验条件包括靶-衬底距离、本底压力、纳秒/皮秒/飞秒下的通量范围等。现代PLD/RPLD趋势是使用原位或时间分辨诊断将羽流性质与薄膜质量关联，实现定量反馈控制，尤其对于反应性系统和化学敏感靶材，背景气体化学的微小变化即可决定最终相。

　　**3. 通过PLD和RPLD技术烧蚀与沉积的金属、类金属和镧系元素**

　　激光烧蚀技术已应用于超过50种元素，成功制备薄膜和多种二元化合物。沉积可在高真空（PLD）或反应性气体（RPLD）中进行。部分元素因技术兴趣有限或与残余气体反应性极强而未报道纯金属沉积，尤其碱金属和碱土金属。本文按元素性质分组，讨论沉积条件、材料性质和应用，并总结为表格。

　　该组元素对含氧/氢物种具有强亲和力，碱金属还具有高挥发性。多数研究针对稳定化合物（氧化物、卤化物、磷酸盐）或采用替代沉积方法。锂（Li）未成功获得纯金属薄膜，仅实现Li

　　O、LiCl等化合物；钠（Na）、钾（K）因反应性极强无法PLD沉积；铷（Rb）、铯（Cs）同样以化合物形式为主；钫（Fr）稀有且放射性，无薄膜研究。铍（Be）表面易形成氧化层，通常用蒸发和溅射而非PLD；镁（Mg）可通过PLD沉积纯金属薄膜用于光阴极，也可在O

　　中RPLD生长MgO；钙（Ca）主要研究磷酸钙（CaP）和羟基磷灰石（HA）等生物材料；锶（Sr）和钡（Ba）因反应性限制，主要研究SrO、BaO等化合物。

　　**3.2 类金属和碳：半导体与键合驱动材料（B、C、Si、Ge、As、Se、Sb、Te）**

　　该类元素在PLD/RPLD文献中占重要地位，因为它们可稳定沉积为元素薄膜或可控化合物。硼（B）薄膜用于中子探测器，BN通过B靶在N

　　中反应合成。碳（C）文献广泛，包括C、CNx、类金刚石碳（DLC）和石墨烯。硅（Si）及其化合物（SiO2、SiC、SiN）通过RPLD在O

　　4、N2等气氛中合成。锗（Ge）薄膜和GeO2、GeNx用于红外光学和电子学。砷（As）因毒性未制备纯薄膜，但用于III-V族化合物。硒（Se）和碲（Te）可通过PLD沉积纯薄膜，碲化合物如CdTe、TeOx用于光电子和太阳能电池。锑（Sb）薄层和Sb2Se3、Sb2S3、SbOx等化合物用于太阳能电池、储氢和存储器。**3.3 第一行过渡金属（Sc–Zn）：金属薄膜与功能氧化物/氮化物**该组元素形成多种稳定氧化态，通过反应性气体控制可决定薄膜为金属或化合物。钪（Sc）几乎没有薄膜研究，仅Sc2O3通过PLD制备。钛（Ti）中TiN、TiC、TiO2通过RPLD生长，用于保护涂层、光学涂层、生物相容性等。钒（V）主要研究VO

　　x广泛研究。锰（Mn）主要研究MnOx。铁（Fe）的纯薄膜多由其他方法制备，FeOx通过RPLD合成，用于磁性和电学器件。钴（Co）薄膜通过PLD获得，CoOx在低O2压力下制备。镍（Ni）薄膜通过PLD沉积，NiO在O2中RPLD生长。铜（Cu）薄膜用于光阴极，CuOx因高光学吸收系数而受关注。锌（Zn）主要研究ZnO，通过RPLD沉积，其他Zn化合物如ZnS、ZnSe、ZnTe由其他方法制备。**3.4 后过渡金属（Ga–Bi）：低熔点、氧化物和透明导体**该类元素以低熔点、频繁氧化物形成和光电子应用为特征。镓（Ga）未获得纯薄膜，GaN和Ga2O3通过其他方法沉积。铟（In）纯薄膜研究有限，In2O

　　2和ITO。铊（Tl）主要研究硫化物和氧化物。铅（Pb）可通过PLD获得纯薄膜，PbOx、PbS和PbX2（卤化物）也有研究。铋（Bi）纯薄膜通过PLD生长，Bi2O3通过RPLD制备。**3.5 难熔和贵过渡金属（Y–Hg）：光阴极、耐腐蚀、催化和高温涂层**该类元素用于高温、腐蚀和磨损环境，以及电子/能源技术。钇（Y）纯薄膜用于光发射，Y2O3通过RPLD生长。锆（Zr）纯薄膜通过PLD获得，ZrO2、ZrN、ZrC用于生物医学和耐腐蚀涂层。铌（Nb）纯薄膜用于超导射频腔光阴极，NbO

　　x、MoSx、MoNx通过RPLD在O2、H2S、N2中生长。锝（Tc）因放射性仅少量研究Tc2O7。钌（Ru）纯薄膜和RuO2用于电接触。铑（Rh）纯薄膜用于保护涂层，无化合物报道。钯（Pd）纯薄膜吸氢能力研究，无二元化合物。银（Ag）纯薄膜和AgOx用于反射和导电涂层。镉（Cd）纯薄膜未沉积，CdO通过RPLD生长。铪（Hf）主要研究HfO2、HfC、HfN。钽（Ta）纯薄膜通过PLD制备，Ta2O5、TaNx、TaC、TaS2用于介电和高温涂层。钨（W）纯薄膜文献丰富，WOx、WNx、WCx用于辐射吸收和切割工具。铼（Re）化合物包括ReNx、ReS2、ReB2。锇（Os）纯薄膜用于电接触，OsO2和OsB2通过其他方法制备。铱（Ir）纯薄膜广泛研究，IrO2用于燃料电池和传感器。铂（Pt）纯薄膜常用，二元化合物因化学惰性极少。金（Au）纯薄膜易得，AuOx仅在强反应环境中生长。汞（Hg）因液态难以PLD沉积，薄膜通过其他方法制备。**3.6 镧系元素（La–Lu）：氧化物主导的薄膜及反应性/成本约束**镧系元素在光学、照明、催化等领域重要，但纯金属薄膜因高成本和强反应性难以获得。镧（La）无纯薄膜，La2O3和LaS通过PLD/RPLD生长。铈（Ce）主要研究CeO2，用于催化和玻璃制造。镨（Pr）研究PrO

　　2O3作为半导体。钷（Pm）因放射性无研究。钐（Sm）研究Sm2O3用于电子和核工业。铕（Eu）研究EuO/Eu2O3用于照明和显示。钆（Gd）用于生物医学造影剂掺杂。铽（Tb）研究TbOx用于荧光灯。镝（Dy）研究Dy2O3和Dy卤化物，用于磁学器件。钬（Ho）研究Ho2O3用于激光和陶瓷。铒（Er）研究Er2O3用于栅介质和激光器。铥（Tm）研究Tm2O3用于光学。镱（Yb）研究Yb薄膜和Yb2O3。镥（Lu）研究Lu2O3用于激光晶体。**3.7 放射性和超稀有元素：范围限制与薄膜可行性（Po、At、Fr、Ra）**少数元素因放射性、稀缺性和处理危险而基本无PLD/RPLD薄膜研究。钋（Po）仅有早期研究，砹（At）几乎无薄膜，钫（Fr）已在3.1讨论，镭（Ra）无相关出版物。**4. 表格结果简要说明**研究结果以表格形式总结，包括纯金属沉积（表2）、二元金属化合物（表3）、类金属薄膜（表4）、类金属二元化合物（表5）、镧系元素及其二元化合物（表6）、碳及其化合物（表7）。此外，表8总结了所有元素的烧蚀阈值、激光通量和反应性气体压力范围。图2以周期表热图形式展示了PLD/RPLD可行性（绿色：高可行性，黄色：中等，红色：挑战性）。**5. 结论与展望**PLD和RPLD的可行性主要由材料特性决定，而非实验手段。化学反应性和挥发性是主要约束。许多过渡和后过渡元素广泛用于功能氧化物、氮化物、碳化物等。碱金属和碱土金属几乎无法稳定纯金属薄膜。实验参数（波长、脉冲持续时间、通量、气体压力等）共同控制薄膜性质。PLD仍然是探索新成分和相的研究工具，但颗粒物形成和低沉积速率限制了工业规模应用。未来研究方向包括：激光-材料耦合的系统研究，改善反应性生长中的成分和相控制，量化颗粒物密度并开发缓解策略，以及建立标准化实验和分析协议以提高结果可比性。