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高能激光烧蚀靶材动力学研究

作　者: 房然然
导　师: 张端明
学　校: 华中科技大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 脉冲激光烧蚀双温方程等离子体屏蔽效应平均电离能，吸收率吸收系数电子-电子碰撞电子态密度
分类号: TN241
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

脉冲激光沉积（PLD，Pulsed Laser Deposition）技术的迅猛发展和诱人的应用前景，使其成为当今世界的研究热点之一，其在薄膜和纳米粒子制备技术方面的优势更是独树一帜。该领域的实验进展一直远超前于理论进展。目前，伴随着激光锁模技术和啁啾技术的实验发展，能量超高化和脉宽超短化成为脉冲激光向极端条件发展的两个主要方向，相应的，在高能与超短激光脉冲条件下的PLD实验技术的进一步发展，呼唤着理论研究的不断进步。本文比较系统和深入地研究了纳秒级和飞秒级PLD技术的脉冲激光烧蚀（PLA，Pulsed Laser Ablation）动力学，细致地讨论了纳秒级PLA过程中的蒸发效应、等离子屏蔽效应以及动态吸收效应；飞秒级PLA过程中的非傅里叶热传导效应、电子—电子碰撞、电子态密度改变引起的效应（即DOS效应：Density of States）等对于靶材烧蚀的影响。在纳秒量级内将整个热物理过程细致地分为熔融前和熔融后两个子过程，构建了更为合理的热传导动力学模型；在飞秒级PLA动力学研究中取得了更为丰硕的成果：构建了能统一描写从纳秒级到飞秒级的统一双温方程（TTM，Two Temperature Model），能反映电子和电子碰撞效应的改进TTM以及适用于更高能域（包括DOS效应）的新的TTM。在上述模型的框架内，我们分别以金属Ni，Au，Fe，Cu及高温超导YBa₂Cu₃O₇（YBCO）等靶材为对象，对其热传导性质进行了模拟研究，结果均与现有的文献更为精确。我们的研究结果，对于正确深入地了解PLA过程中的物理图像具有重要的理论价值。本文的结构组织如下：第一章简要综述了PLD技术发展及其动力学研究进展，尤其分析了纳秒级PLA和飞秒级PLA过程的特性，并将两者进行了对比。第二章和第三章介绍了我们对高能纳秒（紫外和红外）脉冲激光对单组分金属靶材和多组分氧化物钇钡铜氧超导体靶材YBCO的烧蚀特性研究的新成果。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，将烧蚀过程分为靶材熔融前和熔融后两个子过程，给出了不同子过程下的热传导方程，细致地考虑了蒸发效应，等离子屏蔽效应以及动态吸收效应，构建了更为合理的热传导模型。尤其值得指出的是，我们提出了平均电离能的概念，成功地描述了相应的等离子屏蔽效应，解决了研究多组分靶材的等离子体屏蔽效应的瓶颈问题。在新的模型框架内，给出了靶材温度随时间和深度的演化分布规律。最后，详细讨论了蒸发效应，等离子屏蔽效应以及动态吸收效应对烧蚀过程的影响。第四章在深入分析纳秒级PLA的平衡烧蚀和飞秒级PLA的非平衡烧蚀的基础上，通过引入电声耦合时间（ΥR）和脉冲宽度（ΥL）的比值构建了平滑过渡参数，建立了能够描述从纳秒到皮秒、飞秒级脉冲激光烧蚀的热物理现象的非傅立叶统一双温方程TTM。利用此方程，我们细致地研究了电子和晶格亚系统随时间和位置的演化规律，以及蒸发阈值随脉宽的变化规律。第五章深入探讨了飞秒激光的脉宽和能量密度对电声驰豫时间的影响。研究发现，当激光能量密度固定时，脉宽越短，电声驰豫时间越短。当脉宽固定时，激光能量密度越低，电声驰豫时间越长。第六章和第七章系统地研究了随着能量的进一步提高，高能飞秒激光烧蚀机制发生深刻变化的情况。第六章针对电子温度大于4000K的情况，研究发现此时电子—电子碰撞效应必须考虑。在同时考虑电子—晶格碰撞和电子—电子碰撞的基础上，构建了改进的双温方程。利用改进的双温方程，研究了靶材表面的电子和晶格亚系统随时间的演化规律和靶材内的电子和晶格亚系统随时间和烧蚀深度的三维变化规律。第七章研究了电子温度超过10000K时，在烧蚀机制中必须进一步考虑DOS效应的变化。在此基础上，以过渡金属Ni和贵重金属Au为例，研究了由DOS效应引起的热物理参数随温度的变化规律，然后利用新的TTM对不同厚度薄膜的融化阈值进行了数值模拟，发现理论值与实验值符合的较好，该研究表明，当电子温度超过10000K时，DOS效应是不能被忽略的。本文主要有如下创新之处：（1）构建了考虑蒸发效应、多组分等离子屏蔽效应以及动态吸收效应的不同烧蚀阶段的热传导方程组，将方程组分为靶材熔融前、熔融后两个子过程的相应热传导方程。（2）首次建立了能统一描述从纳秒到皮秒、飞秒级脉冲激光烧蚀的热物理现象的非傅立叶双温方程，并进一步探讨了电子和晶格亚系统温度随时间和位置的演化规律，以及不同脉宽下的蒸发阈值。（3）在电子温度大于4000K情况下，在同时考虑电子—晶格碰撞和电子—电子碰撞的基础上，构建了改进的TTM。（4）当电子温度超过10000K时，靶材的电子态密度、能带结构发生了变化，更进一步考虑了DOS效应的影响，建立了新的TTM。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-14
1 绪论  14-35
  1.1 前言  14-15
  1.2 脉冲激光沉积技术及其工艺特点  15-17
  1.3 脉冲激光沉积动力学的理论研究进展  17-21
  1.4 飞秒脉冲激光烧蚀动力学的理论研究进展  21-23
  1.5 飞秒激光与纳秒激光烧蚀特点的比较  23-25
  1.6 飞秒激光诱导材料表面产生的周期性结构  25-31
  1.7 本文研究的主要目的和内容  31-35
2 紫外高能纳秒脉冲激光烧蚀金属的热动力学研究  35-50
  2.1 引言  35
  2.2 纳秒脉冲激光烧蚀的物理图像  35-37
  2.3 烧蚀过程中动态吸收率  37-40
  2.4 蒸发效应  40-41
  2.5 单组分靶材的等离子屏蔽效应  41-42
  2.6 烧蚀阶段的细分与改进的烧蚀理论模型  42-45
  2.7 紫外激光辐照下铁靶材温度的三维变化图  45-46
  2.8 三种热传导模型下的靶材温度演化分布规律比较  46-47
  2.9 烧蚀深度随激光能量密度的演化规律  47-48
  2.10 小结  48-50
3 红外高能纳秒激光与钇钡铜氧靶材的相互作用研究  50-61
  3.1 引言  50
  3.2 多组分靶材的等离子屏蔽效应  50-52
  3.3 高能激光烧蚀多组分氧化物超导体的烧蚀模型  52-54
  3.4 靶材表面的蒸发现象  54-56
  3.5 等离子体的形成以及等离子体屏蔽  56-58
  3.6 不同激光能量密度下的单脉冲激光烧蚀率  58-60
  3.7 小结  60-61
4 描述从纳秒到飞秒的脉冲激光烧蚀的非傅立叶统一双温模型  61-71
  4.1 引言  61
  4.2 非傅立叶定律的理论解释  61-62
  4.3 非傅立叶统一双温模型  62-67
  4.4 电子和晶格亚系统的温度随时间和位置的演化  67-68
  4.5 蒸发阈值随脉宽的演化  68-69
  4.6 小结  69-71
5 飞秒激光的脉冲宽度和能量密度对电声驰豫时间的影响  71-79
  5.1 引言  71
  5.2 飞秒脉冲激光的烧蚀机制  71-72
  5.3 考虑电子—声子碰撞的传统TTM方程  72-73
  5.4 电声驰豫时间的解析解  73-74
  5.5 电声驰豫时间的数值解  74-76
  5.6 脉冲宽度对电声驰豫时间的影响  76
  5.7 激光能量密度对电声驰豫时间的影响  76-78
  5.8 小结  78-79
6 改进的双温方程以及在飞秒激光烧蚀中的应用  79-90
  6.1 引言  79
  6.2 电子热容和热导率随靶材温度的变化  79-80
  6.3 吸收率和吸收系数随靶材温度的变化  80-83
  6.4 改进的双温方程  83-86
  6.5 靶材表面的电子和晶格亚系统随时间的演化规律  86
  6.6 靶材内的电子和晶格亚系统随时间和烧蚀深度的三维变化规律  86-89
  6.7 小结  89-90
7 电子态密度效应对飞秒激光烧蚀的影响  90-103
  7.1 引言  90-91
  7.2 电子态密度效应对热物理参数的影响  91-95
  7.3 光物理参数随温度的变化  95-96
  7.4 考虑电子态密度效应的双温方程  96-97
  7.5 靶材表面电子和晶格亚系统的温度随时间的演化规律  97-98
  7.6 过渡金属Ni的电声驰豫时间随激光能量密度的变化  98-99
  7.7 贵重金属Au的电声驰豫时间随激光能量密度的变化  99-100
  7.8 过渡金属Ni和贵重金属Au的超快融化过程  100-101
  7.9 小结  101-103
8 结论与展望  103-107
  8.1 总结  103-104
  8.2 本文的创新之处  104-105
  8.3 展望  105-107
致谢  107-109
参考文献  109-120
附录1 攻读学位期间发表论文目录  120-122

高能激光烧蚀靶材动力学研究

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