納秒脈沖激光沉積技術(shù)中靶材燒蝕機制及等離子體膨脹動力學(xué)的再探索.pdf

1、脈沖激光技術(shù)的迅猛發(fā)展和誘人的應(yīng)用前景,使其成為當(dāng)今世界上的研究熱點之一。脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在眾多的薄膜制備技術(shù)中更是獨樹一幟。但是在制備薄膜過程中的燒蝕階段和等離子體膨脹階段的物理機制及其對薄膜生長的影響,尚有許多地方待深入討論。目前PLD技術(shù)向高能化(1010W/cm2),短快化(納秒,皮秒,飛秒甚至更短的脈沖激光)方向的進一步發(fā)展,也呼喚著理論的不斷進步。本論文針對納秒級PLD技術(shù)的激光燒蝕過程中發(fā)生的若干以前人們未曾注意

2、的物理現(xiàn)象,比如說,燒蝕階段的蒸發(fā)效應(yīng)和激光輻照結(jié)束后的超熱效應(yīng),濺射粒子的尺寸對碰撞效應(yīng)的影響以及等離子體膨脹中的離化等等,進行了比較深入的探討。
　　第一章是對PLD技術(shù)及其動力學(xué)研究,尤其是對于燒蝕階段和等離子體膨脹階段的研究進展,進行了簡要的綜述。
　　第二章和第三章介紹作者對納秒脈沖激光燒蝕過程中靶材的燒蝕特性研究的若干成果。首先從激光輻照結(jié)束后的超熱效應(yīng)和靶材燒蝕相變特性分析出發(fā),針對燒蝕階段的不同物理圖像,將整

3、個燒蝕過程分為靶材熔融前固相、熔融后的固相和液相以及激光輻照結(jié)束后的液相四個子過程,給出了不同子過程下的熱傳導(dǎo)方程,建立了更為符合實際的燒蝕模型。利用有限差分法,以硅靶材為例,詳細研究了靶材溫度隨時間和深度變化的演化分布規(guī)律。然后詳細研究了蒸發(fā)效應(yīng)對燒蝕過程的影響,建立了包括蒸發(fā)項的熱傳導(dǎo)方程。對在不同激光功率密度下的蒸發(fā)速度,燒蝕厚度隨時間的演化規(guī)律,以及考慮蒸發(fā)時候的靶材溫度對時間和燒蝕深度的演化規(guī)律進行了研究,進而給出了在激光輻照

4、結(jié)束后固液面的演化規(guī)律。這些工作與實驗數(shù)據(jù)吻合很好。
　　第四章研究了在燒蝕階段和等離子體形成的銜接階段即燒蝕粒子噴射初期可努森層(knudsen)附近區(qū)域粒子在空間的碰撞機制。首次用分形維數(shù)描述脈沖激光制膜技術(shù)中粒子質(zhì)量的不均勻性,并采用分子動力學(xué)方法模擬了粒子間的碰撞效應(yīng)。詳細討論了粒子質(zhì)量的不均勻性和非彈性性對粒子速率和空間運行過程的影響。
　　本論文的第五章和第六章是針對高能脈沖激光的燒蝕特點,從流體動力學(xué)理論出發(fā),

5、對可努森層外的等離子體區(qū)域在空間膨脹的特點進行了研究。鑒于目前描述等離子體膨脹的動力學(xué)方程是在整體質(zhì)量和動量守恒的前提下得到的,建立了一個新的空間膨脹動力學(xué)模型,同時考慮了等離子體的離化效應(yīng)。在將等離子體視為可壓縮理想氣體和靶材燒蝕率不隨時間變化的假設(shè)下,建立了在柱面坐標(biāo)系下描述等離子體演化的動力學(xué)方程組。新的模型能自洽地描述速度分布的自相似行為,勿需對于等離子體演化的初始條件加入人為條件。以碳靶材為例,模擬研究了等離子體在真空中的演化

6、規(guī)律,得到了等離子體傳播速度和等離子體密度的縱向和軸向的分布規(guī)律。其中,前者與實驗數(shù)據(jù)定量吻合,而等離子體密度的空間分布特征與實驗觀測相一致。
　　概括起來,本文主要有如下的創(chuàng)新之處:
　　(1)開創(chuàng)性地分階段建立了考慮蒸發(fā)效應(yīng)的靶材燒蝕階段的熱傳導(dǎo)方程組,分別由靶材熔融前、后四個子過程的相應(yīng)熱傳導(dǎo)方程構(gòu)成。同時考慮了激光輻照結(jié)束的剩余能量的燒蝕效應(yīng)。
　　(2)首次利用分形理論描述激光燒蝕濺射粒子的不均勻性,用分子動