激光對材料表面處理的作用機理研究.pdf

1、本文通過研究脈沖激光對材料表面處理時產(chǎn)生的各種形貌變化，推斷激光對材料表面損傷的機理并結(jié)合光電子能譜測試結(jié)果分析了準分子激光對PTFE材料作用后其表面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化。 首先，在背景氣壓為大氣壓的條件下，從理論角度計算了1064 nm激光對Si和Hg0.8Cd0.2Te的損傷閾值分別為P0=4.44x108W·cm-2和P0=8.48x106W·cm-2。從實驗角度用1-on-1方法測量了激光對Si和Hg0.8Cd0.2Te靶

2、材的損傷閾值分別為1.82x108W·cm-2和8.42×106W·cm-2。 其次，同種激光對Si和Hg0.sCd0.2Te以及不同激光波長對二者表面的激光燒蝕效應的異同，我們也分別作了討論與分析。發(fā)現(xiàn)Si和Hg0.8Cd0.2Te都出現(xiàn)了熔融和蒸發(fā)現(xiàn)象，同時，激光還造成了表面的三種力學破壞：溫度梯度的存在而產(chǎn)生的熱應力，蒸發(fā)波和爆轟波的反沖力。這三種力學破壞直接對表面造成機械損傷，突出表現(xiàn)為樣品表層的碎裂和褶皺。在同樣的準分

3、子激光條件下，Si和Hg0.8Cd0.2Te的損傷形貌差異不僅取決于二者的物理性能(禁帶寬度、光吸收系數(shù)、熱脹系數(shù)、熔點、熔化潛熱等)，還要依賴激光的性能參數(shù)。不同激光對同一Hg0.8Cd0.2Te材料的影響也不相同，1064 nm激光對Hg0.8Cd0.2Te表面的燒蝕其熔融效應要強于248 nm激光，原因是248nm激光對Hg0.8Cd0.2Te的蒸發(fā)汽化效應更強一些，因此Hg0.8Cd0.2Te在1064 nm激光作用下表面呈更明

4、顯的熔融狀態(tài)。不同激光對同一Si材料影響也不相同，不同波長激光對單晶Si材料表面損傷的差異主要源自于Si材料對不同激光的吸收系數(shù)的顯著差別，并且在紫外光輻照下Si表面熱效應明顯，出現(xiàn)了周期性條紋，雖然邊緣也出現(xiàn)了由于機械作用而導致的褶皺現(xiàn)象，但沒有發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂痕跡。 再次，本文還分析了準分子激光對Si和PTFE表面損傷的形貌差異。準分子激光對Si表面的損傷主要是光熱作用，而對PTFE表面輻照產(chǎn)生的化學鍵的斷裂則主要是光化學作用

5、而形成的，表面形貌的顯著區(qū)別來源于這兩種材料性質(zhì)的不同：一種是半導體一種是絕緣體。這其中包括化學鍵的結(jié)合能不同，熔點不同，對光的吸收系數(shù)不同，而且Si是晶體，有著較高的熔化潛熱，PTFE材料是非完全晶態(tài)，熔化潛熱極小。 最后，利用了光電子能譜測試手段，對激光處理后的表面元素成份變化進行了分析。準分子激光在常溫常壓下對置于空氣中的PTFE進行表面處理，其表面被碳化且粗糙度增加，使得F原子被剝離，去氟效應明顯；F被剝離后出現(xiàn)的空位一

6、部分與O連接，形成含氧基團，含氧基團的引入導致表面分子的極化，另一部分會與相鄰的C相交叉連接。這些有助于對PTFE進一步的接枝或與化學試劑的反應。 本文以Si、Hg0.8Cd0.2Te和PTFE為例，研究了激光對物質(zhì)表面損傷的作用機理。作為基礎性研究，對高功率密度激光燒蝕的液體濺射理論以及對Si和Hg0.8Cd0.2Te表面損傷閾值的研究有了進一步地完善，理論上得出了造成晶體表面損傷和形態(tài)改變的因素主要有熱應力、蒸發(fā)波和爆轟波的