纳秒脉冲激光沉积技术中靶材烧蚀机制及等离子体膨胀动力学的再探索
脉冲激光技术的迅猛发展和诱人的应用前景,使其成为当今世界上的研究热点之一。脉冲激光沉积技术(PLD)在众多的薄膜制备技术中更是独树一帜。但是在制备薄膜过程中的烧蚀阶段和等离子体膨胀阶段的物理机制及其对薄膜生长的影响,尚有许多地方待深入讨论。目前PLD技术向高能化(1010W/cm2),短快化(纳秒,皮秒,飞秒甚至更短的脉冲激光)方向的进一步发展,也呼唤着理论的不断进步。本论文针对纳秒级PLD技术的激光烧蚀过程中发生的若干以前人们未曾注意的物理现象,比如说,烧蚀阶段的蒸发效应和激光辐照结束后的超热效应,溅射粒子的尺寸对碰撞效应的影响以及等离子体膨胀中的离化等等,进行了比较深入的探讨。 第一章是对PLD技术及其动力学研究,尤其是对于烧蚀阶段和等离子体膨胀阶段的研究进展,进行了简要的综述。 第二章和第三章介绍作者对纳秒脉冲激光烧蚀过程中靶材的烧蚀特性研究的若干成果。首先从激光辐照结束后的超热效应和靶材烧蚀相变特性分析出发,针对烧蚀阶段的不同物理图像,将整个烧蚀过程分为靶材熔融前固相、熔融后的固相和液相以及激光辐照结束后的液相四个子过程,给出了不同子过程下的热传导方程,建立了更为符合实际的烧蚀模型。利用有限差分法,以硅靶材为例,详细研究了靶材温度随时间和深度变化的演化分布规律。然后详细研究了蒸发效应对烧蚀过程的影响,建立了包括蒸发项的热传导方程。对在不同激光功率密度下的蒸发速度,烧蚀厚度随时间的演化规律,以及考虑蒸发时候的靶材温度对时间和烧蚀深度的演化规律进行了研究,进而给出了在激光辐照结束后固液面的演化规律。这些工作与实验数据吻合很好。 第四章研究了在烧蚀阶段和等离子体形成的衔接阶段即烧蚀粒子喷射初期可努森层(knudsen)附近区域粒子在空间的碰撞机制。首次用分形维数描述脉冲激光制膜技术中粒子质量的不均匀性,并采用分子动力学方法模拟了粒子间的碰撞效应。详细讨论了粒子质量的不均匀性和非弹性性对粒子速率和空间运行过程的影响。 本论文的第五章和第六章是针对高能脉冲激光的烧蚀特点,从流体动力学理论出发,对可努森层外的等离子体区域在空间膨胀的特点进行了研究。鉴于目前描述等离子体膨胀的动力学方程是在整体质量和动量守恒的前提下得到的,建立了一个新的空间膨胀动力学模型,同时考虑了等离子体的离化效应。在将等离子体视为可压缩理想气体和靶材烧蚀率不随时间变化的假设下,建立了在柱面坐标系下描述等离子体演化的动力学方程组。新的模型能自洽地描述速度分布的自相似行为,勿需对于等离子体演化的初始条件加入人为条件。以碳靶材为例,模拟研究了等离子体在真空中的演化规律,得到了等离子体传播速度和等离子体密度的纵向和轴向的分布规律。其中,前者与实验数据定量吻合,而等离子体密度的空间分布特征与实验观测相一致。 概括起来,本文主要有如下的创新之处: (1)开创性地分阶段建立了考虑蒸发效应的靶材烧蚀阶段的热传导方程组,分别由靶材熔融前、后四个子过程的相应热传导方程构成。同时考虑了激光辐照结束的剩余能量的烧蚀效应。 (2)首次利用分形理论描述激光烧蚀溅射粒子的不均匀性,用分子动力学法,研究了等离子体形成初期的粒子间的碰撞效应,探讨了有关粒子的非均匀性和非弹性性对其空间动力学行为的影响。 (3)基于更为严格与普适的局域的质量、动量与能量守恒定理,并考虑等离子体的离化效应,建立了一个新的等离子体演化动力学模型。在将等离子体视为可压缩理想气体和靶材烧蚀率不随时间变化的假设下,得到了在柱面坐标系下描述等离子体演化的动力学方程组。
薄膜制备;脉冲激光沉积技术;烧蚀机制;物理现象;等离子体;膨胀动力学
华中科技大学
博士
凝聚态物理
张端明
2008
中文
TQ337.1;TQ330.6
118
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）