脈沖激光制備ZnO薄膜機(jī)理的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)為寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有良好光電性能，是一種非常有應(yīng)用價(jià)值的光電和壓電材料。在ZnO薄膜眾多的制備方法中，較好的一種就是脈沖激光沉積法(PLD)。此法在實(shí)驗(yàn)上已取得了很大進(jìn)展，理論上也對(duì)它的機(jī)理進(jìn)行研究。深入了解和掌握激光與靶材的相互作用過(guò)程及成膜機(jī)理，這對(duì)應(yīng)用PLD法制備高質(zhì)量的薄膜，進(jìn)行薄膜物理的研究是極為重要的。 對(duì)于脈沖激光沉積法制備ZnO薄膜的第一個(gè)過(guò)程(即激光與靶材的相互作用及等離子體產(chǎn)生)，

2、采用起脈沖激光作用塊狀靶材的基本燒蝕模型。利用導(dǎo)熱方程、邊界條件和初始條件，詳細(xì)研究了靶材在熔融前的溫度分布規(guī)律；并利用精確解與積分近似法相結(jié)合的方案，給出熔融后固液兩相的溫度分布隨時(shí)間和位置的變化關(guān)系，并模擬了激光燒蝕的整個(gè)過(guò)程。 對(duì)于PLD制備薄膜的第二個(gè)過(guò)程(即等離子體的定向局域等溫、絕熱膨脹)，我們利用等離子體演化的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)流體力學(xué)理論，將激光燒蝕靶材的過(guò)程同等離子體的空間膨脹過(guò)程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)討論，研究了激光工

3、作參數(shù)(功率密度和波長(zhǎng))對(duì)薄膜厚度分布的影響。本文的主要工作和結(jié)論包括： 1、在研究燒蝕過(guò)程中，根據(jù)能量平衡原理，導(dǎo)出燒蝕面的位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，給出了較為切合實(shí)際的邊界條件和初始條件，從包含熱源項(xiàng)的導(dǎo)熱方程出發(fā)，詳細(xì)研究了靶材在熔融前的溫度分布規(guī)律。對(duì)于熔融后固液兩相的溫度演化，在處理熱傳導(dǎo)方程時(shí)利用數(shù)值法和積分法得到了近似溫度分布的解析表達(dá)式，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。 2、對(duì)等離子體的膨脹過(guò)程，本文采用了能夠反映等離

4、子體各向異性分布特點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)該方程給出了等離子體濃度各向異性呈橢球形分布。將燒蝕階段所得到的結(jié)果作為等離子體膨脹階段的初始邊界條件，討論了等離子體膨脹的絕熱階段和等溫階段的具體演化規(guī)律。根據(jù)這些演化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明激光功率和波長(zhǎng)對(duì)沉膜特性具有決定性的影響。 3、根據(jù)數(shù)值模擬法，本文討論了激光工作參數(shù)對(duì)沉膜特性的影響。 (1)激光功率密度對(duì)薄膜的影響：當(dāng)激光功率密度越高時(shí)，薄膜的厚度越不均勻，即較小的激光