納秒脈沖激光沉積技術(shù)中靶材燒蝕機(jī)制及等離子體膨脹動(dòng)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(diǎn)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(dú)樹(shù)一幟。但是在制備薄膜過(guò)程中的燒蝕階段和等離子體膨脹階段的物理機(jī)制及其對(duì)薄膜生長(zhǎng)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(jìn)一步發(fā)展,也呼喚著理論的不斷進(jìn)步。本論文針對(duì)納秒級(jí)PLD技術(shù)的激光燒蝕過(guò)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(shuō),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(duì)碰撞效應(yīng)的影響以及等離子體膨脹中的離化等等,進(jìn)行了比較深入的探討。
　　第一章是對(duì)PLD技術(shù)及其動(dòng)力學(xué)研究,尤其是對(duì)于燒蝕階段和等離子體膨脹階段的研究進(jìn)展,進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述。
　　第二章和第三章介紹作者對(duì)納秒脈沖激光燒蝕過(guò)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(duì)燒蝕階段的不同物理圖像,將整

3、個(gè)燒蝕過(guò)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(gè)子過(guò)程,給出了不同子過(guò)程下的熱傳導(dǎo)方程,建立了更為符合實(shí)際的燒蝕模型。利用有限差分法,以硅靶材為例,詳細(xì)研究了靶材溫度隨時(shí)間和深度變化的演化分布規(guī)律。然后詳細(xì)研究了蒸發(fā)效應(yīng)對(duì)燒蝕過(guò)程的影響,建立了包括蒸發(fā)項(xiàng)的熱傳導(dǎo)方程。對(duì)在不同激光功率密度下的蒸發(fā)速度,燒蝕厚度隨時(shí)間的演化規(guī)律,以及考慮蒸發(fā)時(shí)候的靶材溫度對(duì)時(shí)間和燒蝕深度的演化規(guī)律進(jìn)行了研究,進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(dòng)力學(xué)方法模擬了粒子間的碰撞效應(yīng)。詳細(xì)討論了粒子質(zhì)量的不均勻性和非彈性性對(duì)粒子速率和空間運(yùn)行過(guò)程的影響。
　　本論文的第五章和第六章是針對(duì)高能脈沖激光的燒蝕特點(diǎn),從流體動(dòng)力學(xué)理論出發(fā),

5、對(duì)可努森層外的等離子體區(qū)域在空間膨脹的特點(diǎn)進(jìn)行了研究。鑒于目前描述等離子體膨脹的動(dòng)力學(xué)方程是在整體質(zhì)量和動(dòng)量守恒的前提下得到的,建立了一個(gè)新的空間膨脹動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量吻合,而等離子體密度的空間分布特征與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相一致。
　　概括起來(lái),本文主要有如下的創(chuàng)新之處:
　　(1)開(kāi)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(gè)子過(guò)程的相應(yīng)熱傳導(dǎo)方程構(gòu)成。同時(shí)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(dòng)