高能激光燒蝕靶材動力學研究.pdf

1、脈沖激光沉積(PLD，Pulsed Laser Deposition)技術(shù)的迅猛發(fā)展和誘人的應用前景，使其成為當今世界的研究熱點之一，其在薄膜和納米粒子制備技術(shù)方面的優(yōu)勢更是獨樹一幟。該領(lǐng)域的實驗進展一直遠超前于理論進展。目前，伴隨著激光鎖模技術(shù)和啁啾技術(shù)的實驗發(fā)展，能量超高化和脈寬超短化成為脈沖激光向極端條件發(fā)展的兩個主要方向，相應的，在高能與超短激光脈沖條件下的PLD 實驗技術(shù)的進一步發(fā)展，呼喚著理論研究的不斷進步。
　　

2、本文比較系統(tǒng)和深入地研究了納秒級和飛秒級PLD 技術(shù)的脈沖激光燒蝕(PLA，Pulsed Laser Ablation)動力學，細致地討論了納秒級PLA 過程中的蒸發(fā)效應、等離子屏蔽效應以及動態(tài)吸收效應；飛秒級PLA 過程中的非傅里葉熱傳導效應、電子－電子碰撞、電子態(tài)密度改變引起的效應(即DOS 效應: Density of States)等對于靶材燒蝕的影響。在納秒量級內(nèi)將整個熱物理過程細致地分為熔融前和熔融后兩個子過程，構(gòu)建了更為合

3、理的熱傳導動力學模型；在飛秒級PLA 動力學研究中取得了更為豐碩的成果：構(gòu)建了能統(tǒng)一描寫從納秒級到飛秒級的統(tǒng)一雙溫方程(TTM,Two Temperature Model)，能反映電子和電子碰撞效應的改進TTM 以及適用于更高能域(包括DOS 效應)的新的TTM。在上述模型的框架內(nèi)，我們分別以金屬Ni，Au，F(xiàn)e，Cu及高溫超導YBa2Cu3O7(YBCO)等靶材為對象，對其熱傳導性質(zhì)進行了模擬研究，結(jié)果均與現(xiàn)有的文獻更為精確。我們的研

4、究結(jié)果，對于正確深入地了解PLA過程中的物理圖像具有重要的理論價值。
　　 本文的結(jié)構(gòu)組織如下：
　　 第一章簡要綜述了PLD技術(shù)發(fā)展及其動力學研究進展，尤其分析了納秒級PLA和飛秒級PLA過程的特性，并將兩者進行了對比。
　　 第二章和第三章介紹了我們對高能納秒(紫外和紅外)脈沖激光對單組分金屬靶材和多組分氧化物釔鋇銅氧超導體靶材YBCO的燒蝕特性研究的新成果。首先，從激光輻照結(jié)束后的超熱效應和靶材燒蝕相變特性

5、分析出發(fā)，將燒蝕過程分為靶材熔融前和熔融后兩個子過程，給出了不同子過程下的熱傳導方程，細致地考慮了蒸發(fā)效應，等離子屏蔽效應以及動態(tài)吸收效應，構(gòu)建了更為合理的熱傳導模型。尤其值得指出的是，我們提出了平均電離能的概念，成功地描述了相應的等離子屏蔽效應，解決了研究多組分靶材的等離子體屏蔽效應的瓶頸問題。在新的模型框架內(nèi)，給出了靶材溫度隨時間和深度的演化分布規(guī)律。最后，詳細討論了蒸發(fā)效應，等離子屏蔽效應以及動態(tài)吸收效應對燒蝕過程的影響。

6、　　 第四章在深入分析納秒級PLA的平衡燒蝕和飛秒級PLA的非平衡燒蝕的基礎(chǔ)上，通過引入電聲耦合時間(гR)和脈沖寬度(гL)的比值構(gòu)建了平滑過渡參數(shù)，建立了能夠描述從納秒到皮秒、飛秒級脈沖激光燒蝕的熱物理現(xiàn)象的非傅立葉統(tǒng)一雙溫方程TTM。利用此方程，我們細致地研究了電子和晶格亞系統(tǒng)隨時間和位置的演化規(guī)律，以及蒸發(fā)閾值隨脈寬的變化規(guī)律。
　　 第五章深入探討了飛秒激光的脈寬和能量密度對電聲馳豫時間的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當激光能量密

7、度固定時，脈寬越短，電聲馳豫時間越短。當脈寬固定時，激光能量密度越低，電聲馳豫時間越長。
　　 第六章和第七章系統(tǒng)地研究了隨著能量的進一步提高，高能飛秒激光燒蝕機制發(fā)生深刻變化的情況。第六章針對電子溫度大于4000K的情況，研究發(fā)現(xiàn)此時電子－電子碰撞效應必須考慮。在同時考慮電子－晶格碰撞和電子－電子碰撞的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了改進的雙溫方程。利用改進的雙溫方程，研究了靶材表面的電子和晶格亞系統(tǒng)隨時間的演化規(guī)律和靶材內(nèi)的電子和晶格亞系統(tǒng)隨

8、時間和燒蝕深度的三維變化規(guī)律。第七章研究了電子溫度超過10000K時，在燒蝕機制中必須進一步考慮DOS效應的變化。在此基礎(chǔ)上，以過渡金屬Ni和貴重金屬Au 為例，研究了由DOS效應引起的熱物理參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，然后利用新的TTM對不同厚度薄膜的融化閾值進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)理論值與實驗值符合的較好，該研究表明，當電子溫度超過10000K時，DOS 效應是不能被忽略的。
　　 本文主要有如下創(chuàng)新之處：
　　 (1)構(gòu)建了

9、考慮蒸發(fā)效應、多組分等離子屏蔽效應以及動態(tài)吸收效應的不同燒蝕階段的熱傳導方程組，將方程組分為靶材熔融前、熔融后兩個子過程的相應熱傳導方程。
　　 (2)首次建立了能統(tǒng)一描述從納秒到皮秒、飛秒級脈沖激光燒蝕的熱物理現(xiàn)象的非傅立葉雙溫方程，并進一步探討了電子和晶格亞系統(tǒng)溫度隨時間和位置的演化規(guī)律，以及不同脈寬下的蒸發(fā)閾值。
　　 (3)在電子溫度大于4000k情況下，在同時考慮電子－晶格碰撞和電子－電子碰撞的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了改