脈沖激光燒蝕等離子體光譜的特性及應(yīng)用.pdf

1、本文以脈沖激光燒蝕(PulsedLaserAblation，PLA)等離子體為主要研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)PLA等離子體光譜的測(cè)量分析，考察PLA等離子體的時(shí)空演變，了解納秒和飛秒PLA等離子體的若干特性，探討相關(guān)的薄膜沉積過(guò)程和機(jī)理。本文的內(nèi)容可以分為三個(gè)部分： 1. 以金屬銅為靶材料，研究納秒(5ns)和飛秒(100fs)脈沖激光燒蝕等離子體的特性；2．考察在電子回旋共振(ElectronCyclotronResonance，ECR

2、)氬等離子體和ECR氮等離子體中脈沖激光對(duì)石墨靶燒蝕所引發(fā)的PLA碳等離子體光譜的時(shí)空演變，研究PLA碳等離子體分別在ECR氬等離子體和ECR氮等離子體中的時(shí)空行為；3．測(cè)量和分析在ECR氮等離子體中脈沖激光對(duì)B4C靶燒蝕所引發(fā)的等離子體的光譜。其中后兩部分的工作是基于為相應(yīng)的類金剛石(DLC)、氮化碳(CNx)和硼碳氮(BCN)薄膜的沉積制備的過(guò)程和機(jī)理的研究提供參考。 利用高強(qiáng)度的脈沖激光對(duì)材料燒蝕，可獲得瞬變的PLA等離子

3、體。PLA等離子體中含有豐富的處于不同能量狀態(tài)的荷電粒子和中性粒子，包括原子、分子、離子及團(tuán)簇等，因此它還為原子、分子、離子、團(tuán)簇等及相關(guān)研究提供了一個(gè)良好場(chǎng)所。近幾年，脈沖激光燒蝕技術(shù)在薄膜沉積、表面處理、成分分析等方面得到了直接而成功的應(yīng)用。因此，對(duì)于PLA等離子體的研究在理論和應(yīng)用方面都具有重要意義。用光譜方法觀察和分析PLA等離子體的光發(fā)射是考察PLA等離子體和其中發(fā)光粒子的非干擾的實(shí)驗(yàn)研究方法。 采用空間分辨和空間積分

4、的手段，對(duì)激光燒蝕銅靶產(chǎn)生的銅等離子體光譜及時(shí)空特性進(jìn)行了觀察，考察了等離子體的產(chǎn)生和演變，了解了不同能量狀態(tài)的等離子體成分在空間分布和時(shí)間演化方面的若干行為。這部分工作的重點(diǎn)放在比較飛秒激光和納秒激光的PLA等離子的時(shí)空行為的差別，從而討論其不同的產(chǎn)生機(jī)制。 強(qiáng)脈沖激光燒蝕石墨靶也引起了人們廣泛的興趣，特別是用以PLA為基礎(chǔ)的泳沖激光沉積(PulsedLaserDeposition，PLD)方法制備DLC薄膜、CNx薄膜、BC

5、N薄膜、c納米管和CNx納米管等材料。所制備的材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與激光燒蝕的條件有密切的關(guān)系，激光燒蝕和材料制備的環(huán)境是其中影響材料生長(zhǎng)及其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一個(gè)重要因素，同時(shí)也是控制材料生長(zhǎng)、改變材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一個(gè)條件。所在研究小組利用ECR氬等離子體輔助PLD方法開(kāi)展了DLC薄膜制備和研究工作，發(fā)現(xiàn)所制得的薄膜在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上與沒(méi)有ECR等離子體輔助所制備的薄膜有很大的差異。本文利用光譜法分析研究制備過(guò)程中PLA碳等離子體的演變及ECR等離

6、子體它的影響，希望能為DLC薄膜制備機(jī)理的研究提供參考。在真空或者低氣壓氬氣環(huán)境中，PLA碳等離子體光譜是由碳的原子和離子譜線占主導(dǎo)地位。在ECR氬等離子體中，隨著PLA碳等離子體的演變，光譜由初始階段的碳原子和離子譜線為主導(dǎo)逐漸演變?yōu)閏2譜帶占主導(dǎo)地位。光發(fā)射譜的不同揭示了在不同環(huán)境中作為先驅(qū)物的氣相物質(zhì)種類的不同，進(jìn)而影響所制備的薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。還發(fā)現(xiàn)c2Swan譜系和c2DeslandresD'Azembu．ja譜系在空間分布上

7、存在著差異。 CNx薄膜持續(xù)幾十年為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。所在研究小組利用ECR氮等離子體輔助PLD的方法合成制備了高氮含量的CNx薄膜，其中ECR氮等離子體的輔助有效地提高膜層中的氮含量。本文利用光譜法考察PLA碳等離子體在ECR氮等子體中演變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)光發(fā)射譜中含有很強(qiáng)的CNVioletSystem譜帶，CN光譜出現(xiàn)于等離子體演變后期，并且主要位于襯底附近。說(shuō)明在PLA碳等離子體演變后期，由于PLA碳等離子體與鞘層中大量的活性N

8、作用的結(jié)果在襯底附近形成了大量的CN分子，這也許是ECR氮等離子體的輔助有效地提高氮含量因素之一。 除了DLC、CNx等外，其它的碳基化合物如Bc、BCN等作為硼碳氮系中的重要成員近年廣受關(guān)注。本文的第五章中結(jié)合ECR氮等離子體輔助PLD的方法合成制備BCN薄膜工作，研究脈沖激光燒蝕B4C靶所引發(fā)的等離子體在ECR氮等離子體中演變。在低氣壓氮?dú)夂虴CR氮等離子體中，觀察到明顯的CNVioletSystem譜系，而碳和硼的離子譜線