脉冲激光制备薄膜材料的烧蚀机理
利用脉冲激光制备材料表面纳米结构
利用脉冲激光制备材料表面纳米结构当谈论材料表面纳米结构时，脉冲激光技术是一个备受瞩目的方法。
利用脉冲激光制备材料表面的纳米结构可以赋予材料独特的性能和功能，进而推动材料科学研究和工业应用的发展。
1、脉冲激光制备纳米表面结构的原理和方法脉冲激光制备纳米表面结构的原理是通过激光脉冲的高能量密度和短脉冲宽度，将材料表面局部区域加热到临界温度以上并迅速冷却，从而在材料表面形成纳米级的结构。
这种制备方法凭借其高精度和高效性，可以实现对材料表面形貌和化学组成的精确控制。
其中，脉冲激光的参数对于纳米表面结构的形成起着至关重要的作用。
激光的能量密度、脉冲宽度和重复频率等参数需要经过精确调控，以实现对材料表面的微观结构和宏观性能的精细调控。
此外，脉冲激光还可以与材料表面的化学反应相结合，使得纳米表面结构不仅能够形成有序排列的纳米颗粒，还能够具有特定的化学组成。
这种化学反应的结合可以进一步提高材料的功能性。
2、利用脉冲激光制备材料表面纳米结构的应用和挑战利用脉冲激光制备材料表面的纳米结构可以赋予材料多种独特的性能和功能。
例如，通过制备纳米结构，可以改变材料的表面粗糙度和润湿性，从而实现超疏水或超亲水的表面特性。
这些特性在涂层、光学器件以及生物医学领域等方面具有广泛的应用前景。
另外，脉冲激光制备的纳米表面结构还可以用于实现光催化反应、表面增强拉曼散射等功能。
这些应用都对材料表面的结构和形貌有着极高的要求，而脉冲激光制备技术能够满足这些需求。
然而，利用脉冲激光制备材料表面纳米结构也存在一些挑战。
首先，脉冲激光加工过程中可能引入热应力和欧拉应力等。
这些应力可能会导致纳米结构的形变或破裂，降低材料的性能。
其次，脉冲激光加工过程中产生的高温区域可能会导致材料的晶体结构改变，从而影响材料的力学性能和稳定性。
因此，需要在脉冲激光加工过程中严格控制加工参数，以避免这些问题的发生。
3、未来的发展趋势和展望随着脉冲激光技术的不断发展，利用脉冲激光制备材料表面纳米结构的研究和应用也将继续深入。
超短激光脉冲序列烧蚀镍薄膜的研究
超短激光脉冲序列烧蚀镍薄膜的研究韩飞;闫寒;周海波;王琼娥【摘要】超短（飞秒）激光脉冲序列技术能有效地提高激光加工金属的加工精度，它在微/纳制造中具有重要的理论意义和生产价值。
为了研究脉冲间隔对激光烧蚀金属加工精度的影响，以过渡金属镍为研究对象，采用双温模型和分子动力学模拟相结合的方法，对飞秒激光脉冲序列（脉冲间隔不同）烧蚀金属镍的过程、现象进行了研究，取得了脉冲序列烧蚀镍薄膜的动态表层电子温度和晶格温度随时间演化的数据和烧蚀区域在不同时刻的快照。
结果表明，一定范围内，随着脉冲间隔的增加，脉冲序列烧蚀镍薄膜所产生的纳米粒子更加均匀，烧蚀平面更加平整，初始熔化速度、烧蚀率呈降低趋势，有利于提高加工的精度。
%Micromaching by ultrashort laser pulse-train can effectively improve femtosecond laser ablation of metal , which are important both theoretically and practically in micro /nano-laser fabrication applications.In order to study the effect of separation of pulse on the accuracy of laser ablation , the phenomena and process of laser ablation with different separation of pulse train were studied in detail by combining the molecular dynamic simulation and two -temperature model, the electron and lattice temperatures of the layers next to dynamic film surfaces and the snapshots of nickel thin films irradiated by the femtosecond laser pulse trains were obtained .The resultis that ,within a certain range, as the increase of the separation of pulse, femtosecond pulse train laser ablation of Ni films can apparently cause more flat ablation plane , slower initial melting speed, smaller and moreuniform nanoparticles , smaller ablation ratio,which can effectively improve femtosecond laser ablation of metal .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】5页(P478-482)【关键词】激光技术;脉冲序列;飞秒激光;双温模型;分子动力学;脉冲间隔【作者】韩飞;闫寒;周海波;王琼娥【作者单位】北京航星机器制造公司，北京100013;北京航星机器制造公司，北京100013;北京航星机器制造公司，北京100013;北京航星机器制造公司，北京100013【正文语种】中文【中图分类】TB43脉冲序列是由时间间隔为飞秒到皮秒的多个激光脉冲组成。
脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展概要
脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展1徐兵2，宋仁国（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310014）摘要：本文综述了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状，并对其发展前景进行了展望。
关键词：脉冲激光烧蚀，现状，前景Research Status and Development of Pulsed Laser Ablation TechnologyXu Bing SONG Ren-Guo(The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacturing and Automation，ZheJiang University of Technology, HongZhou 310014) Abstract: This paper presents a summary on the theory, the properties and the research status of pulsed laser ablation, as well as the prospect of the development of this technology.Keyword: pulsed laser ablation；state；prospect一、引言自1960年第一台激光器问世以来，人们对激光的特性进行了研究，由于激光具有高能量密度、高单色性、高相干性和高方向性等性能，从而使其在各个领域得到了广泛的应用[1-3]。
近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业中，并开始取代或改造某些传统的加工业。
尤其是纳米技术的兴起，人们对其加工技术的要求也愈来愈高。
而脉冲激光烧蚀技术(Pulsed laser ablation，PLA)就是一种最近发展起来制备纳米粒子，纳米粉和纳米薄膜的高端技术。
正是由于脉冲激光烧蚀技术的重要性和诱人的前景，使其成为当今世界上的研究热点之一[4-8]。
飞秒脉冲激光烧蚀靶材机理的探讨
摘 要： 飞秒脉 冲激光烧蚀靶 材的研 究发现 ， 激光和靶材 的相 互作用不遵 守傅 立叶定律 ， 热烧蚀模 型不再适 用。本文 首
先分析 了 究超短脉 冲激光烧蚀过程 中电子和 离子亚 系统之 间相互作用程度 的双温模 型 ， 出发 ， 研 由此 结合飞秒脉 冲激光
激光和固体相互作用的过程在 ｌＯ ｓ Ｏ ｎ 左右的时间内完 成， 这是一个 复杂和剧烈 的瞬态过程 ， 它与激 光的波
其中 、 为电子及晶格系统 的温度， ｃ 为电 ｃ 子及晶格系统单位体积的比热容 ， 为电子热传导率 ， ｇ 为电子与晶格耦合的特征参数 ， （ ，） Ａ ｔ为与激光脉
冲相对应 的热源项。 以该模型为基础 ，９４年 ， 国学者 Ｊ ． ｕｎ １８ 英 ．Ｇ Ｆｊ 一 ｉ
收稿 日期 ：０ ０— ６— ０ ２１ ０ ２
长、 脉冲宽度、 脉冲能量和 固体的成分、 结构有关 。从
・
５ ・ ４
ｍ ｔ用皮秒与飞秒激光器对铜材 料进行 了确定耦合 ｏ ｏ
特征参数的研究。１８ 年 ， ９７ 美国学者 Ｈ Ｅ Ｅｓｙｄ ． ． ｌ ｅ一 ａ 利用 １０ 及 ３０ｓ ５ｆ ｓ ０ｆ 的激光脉冲研究热量在铜薄片 中的传导 ， 发现了电子与晶格的温度差异 ， 得出电子与 光子的能量传递过程为几个 皮秒的量级 ， 并随着激光 能量的提高而延长。１８ ９ ８年 ， 加拿大学者 Ｐ ．Ｃｒ ．Ｂ ｏ － ｋｍ对 双温模 型进 行 了解 析 求解 ， 与 铜 和 钼烧 蚀 阈 ｕ 并 值的实验值进行比较 ， 认为脉冲间隔小于纳秒量级时 ， 用双温模型可以很好地理解激光脉冲作用于金属时引 起 的损伤 。 对 金属 材料 ，９ ６年 德 国学 者 Ｂ ．Ｃ ｉ ｋｖ用 １９ ．Ｎ ｈｃ ｏ ｈ 钛宝石激光脉 冲烧蚀金 属靶材料研 究。利用 双温方 程， 在不同的激光脉冲间隔内， 约化双温方程 ， 求得解 析解 ， 定量地揭示了飞秒激光烧蚀材料较 长脉冲具有 规则形状 ； 同时， 在脉冲间隔为纳秒量级 时的解析解 ， 揭示了烧蚀率对能流域值 的对数关 系， 关系也适用 该 于半导体材料及聚合物 。 ２０ ０２年，．Ｋ ｈｎ等 ， Ｊ ．Ｃ ｅ 综合 双温模型及热 电子 爆炸模式 ， 在假定单轴应变三维高压条件下 ， 提出一系 列相互关联的瞬时热 弹性变形方程。数值结果表明 ， 在超短脉冲激光烧蚀过程 中， 非熔融态损 伤 占支配地 位， 这种非熔融态损伤主要动力来源于热 电子爆炸力 。 ４ 飞秒 激光烧 蚀靶 材
高强度脉冲激光对金属材料仲裁区烧蚀特性研究
高强度脉冲激光对金属材料仲裁区烧蚀特性研究随着科技的不断进步，激光技术也被广泛应用于各个领域，其中包括对金属材料的加工与研究。
其中，高强度脉冲激光技术因其能量密度高、作用时间短、能够对材料进行高精度加工等优势，成为研究者们关注的焦点。
本文旨在探究高强度脉冲激光对金属材料仲裁区烧蚀特性，并分析其潜在的应用价值。
首先，仲裁区在金属材料中具有重要的作用。
在加工过程中，仲裁区被定义为位于加工件表面和熔池之间的区域。
脉冲激光通过向材料表面提供高能量密度，将其加热到等离子体的温度，然后在较短的时间内降温，从而使材料发生烧蚀。
高强度脉冲激光对金属材料的仲裁区烧蚀特性研究是重要的，因为烧蚀现象对材料性能和激光加工效果都有很大影响。
烧蚀会导致材料表面的形貌和性质发生改变，进而影响激光加工件的精度和质量。
同时，烧蚀还可能引起材料的毁灭性破坏，降低材料的强度和韧性。
研究发现，高强度脉冲激光产生的烧蚀主要是通过两个机制实现的：表面蒸发和材料烧蚀。
在表面蒸发机制下，激光的能量直接作用于材料表面，将其加热并蒸发。
而在材料烧蚀机制下，激光能量被吸收并转化为热能，使材料内部发生化学反应和燃烧。
针对高强度脉冲激光对金属材料仲裁区烧蚀特性的研究，我们应重点关注以下几个方面。
首先，需要研究激光参数对烧蚀特性的影响。
激光参数包括脉冲能量、脉冲宽度和脉冲频率等。
这些参数的变化会直接影响烧蚀的程度和形式。
通过对不同激光参数的实验研究，可以了解到不同条件下烧蚀的机制和规律，从而为实际应用中的激光加工提供参考。
其次，需要研究不同金属材料的烧蚀特性差异。
不同的金属材料在高强度脉冲激光作用下，其烧蚀的程度和形式可能会有所不同。
通过对多种金属材料的实验研究，可以获取不同材料间的烧蚀规律，为选择合适的激光加工材料提供依据。
此外，还需要研究激光加工后金属材料在仲裁区的性能变化。
烧蚀现象会导致材料在表面和体积上发生变化，如组织结构、硬度和抗腐蚀性等。
这些性能变化对于金属材料的应用具有重要影响，因此需要通过实验和测试来研究其变化趋势以及对材料性能的影响。
激光对光学多孔薄膜的损伤机理
激光对光学多孔薄膜的损伤机理黎咏清材料复合新技术国家重点实验室指导老师：朱明教授摘要本文综合目前已发的相关文献和出版书籍，对不同脉宽的激光辐射到光学薄膜上发生的热损伤机理作了简要的综合性阐述。
总而言之，不论是本征吸收还是由于多光子吸收或场击穿后产生等离子体带来的非线性吸收，他们最终的效果都是以热的形式表现出来，从而导致局部温升，带来相应的局部应力变化，最后再通过热力耦合作用导致光学薄膜的形变和最终损坏。
一引言激光、原子能、半导体和计算机一起被称为20世纪的四项重大发明。
四十年来，以激光器为基础的激光技术已被广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域，并取得了很好的经济效益和社会效益。
在激光技术的发展中，光学薄膜在其中扮演着重要的角色，可以说没有一个光学系统能够离开光学薄膜而独立存在；与此同时，光学薄膜也是激光系统中最为薄弱的环节之一。
伴随着激光核聚变的提出和高功率激光系统的建立，更深层次的应用对光学薄膜的抗激光损伤性能提出了越来越高的要求。
一旦光学薄膜出现损坏，哪怕是极小的瑕疵，都会导致输出光束的质量下降，严重时将引起整个系统的瘫痪。
根据热工工程课程自身特点以及本人在硕士研究生学习期间从事的研究方向，本文将主要从激光对光学薄膜的热损伤机理来进行综述式的阐述。
二激光与光学薄膜系统2.1 激光简介激光具有高方向性、高亮度、单色性好、高相干性等特点。
（传感器与检测技术余志根主编北京：科学出版社196-197）如上图所示为激光产生机理的示意图，假如电子处于高能太E2，然后跃迁到低能态K1，则它以辐射形式发出能量。
可以有两种途径：一是电子无规则地转变到低能态，称为自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的电子作用，使电子转到低能态，同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射，即用一个光子去激发位于高能级的电子使之放出光子，受激发射产生的光就是激光。
脉冲激光制备ZnO薄膜烧蚀过程中的温度演化
脉冲激光制备ZnO薄膜烧蚀过程中的温度演化胡春香;陶向阳;叶志清;饶丰【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2007(31)6【摘要】为了研究脉冲激光烧蚀氧化锌靶材的整个过程,给出脉冲激光作用块状靶材的烧蚀模型.从包含热源项的导热方程出发,利用适当的动态边界条件,详细研究了靶材在熔融前的温度分布规律.结果表明,靶材熔融前,在固定位置,温度随时间推移而升高,且距离靶面越近,变化率越大.在同一时刻不同位置,温度随着热扩散距离增加而下降;并采用精确解与积分近似法相结合的方案,给出熔融后固液两相的温度分布与时间和位置的变化关系.液相的温度梯度随扩散距离增加而下降,在距烧蚀面0.5μm 之内,温度梯度很大;在0.5μm后面的部分,温度变化就很缓慢;固相的温度变化较为复杂.【总页数】3页(P646-648)【作者】胡春香;陶向阳;叶志清;饶丰【作者单位】江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,光电子与通信重点实验室,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,光电子与通信重点实验室,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,光电子与通信重点实验室,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,光电子与通信重点实验室,南昌,330022【正文语种】中文【中图分类】O469【相关文献】1.脉冲激光沉积法制备ZnO薄膜中衬底温度对ZnO薄膜结构的影响 [J], 刘涛2.脉冲激光烧蚀制备纳米硅晶粒过程中稳定晶核大小研究 [J], 秦爱丽;褚立志;邓泽超;丁学成;王英龙3.超快脉冲激光烧蚀过程中的靶材温度分布 [J], 谭新玉;欧阳美平4.低真空中脉冲激光烧蚀铜纳米铜等离子体电子温度的测量 [J], 刘有军;金琨;白晓明5.脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究 [J], 张磊;王秀凤;林晓东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
(整理)脉冲激光法沉积薄膜实验
原理：是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其产生高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积形成薄膜。
1. 激光与靶材相互作用产生等离子体等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且在整体上表现为近似于电中性的电离气体。
等离子体 = 自由电子+带正电的离子+未电离原子或分子，为物质的第四态。
2.等离子体在空间的输运3.等离子体在基片上成核、长大形成薄膜靶材表面的高温(可达((1016-----1021)/cm 3)的等离子体等温膨胀发射()和绝热膨胀发射(激光终止后)轴向约束性等离子体区等离子体羽辉临界核的形成粒子的长大形成连续薄膜脉冲激光法沉积薄膜实验Experiment for film deposition by pulsed laser基体的加热温度影响沉积速率和薄膜的质量氧气的压力沉积时间 过高不利于薄膜择优取向的形成 过低导致化学配比失衡，内部缺陷增多基体与靶的距离 激光能量，频率影响薄膜的厚度 影响薄膜的均匀性 影响沉积速率脉冲激光沉积的优点可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜基片靶材旋转法 灵活的换靶装置便于实现多层膜及超晶格膜的生长 易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜 由于激光的能量高，可以沉积难熔薄膜生长过程中可以原位引入多种气体，提高薄膜的质量 污染小薄膜存在表面颗粒问题很难进行大面积薄膜的均匀沉积激光束运动缺点新方法：激光分子束外延PLD 中的重要实验参数PLD 法制备薄膜实验流程图调整激光器参数抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa ）关闭仪器激光器为YAG 固体激光器，波长 ＝532nm(绿光）,激光脉宽为10ns,频率为1Hz,3Hz,5Hz.能量为0----300mJ 可调．实验注意事项☐抽真空之前一定要注意接通冷却水☐当真空度小于10 Pa才能开启分子泵抽高真空☐☐激光输出前要确保冷却水运动正常☐使用氧气时要确保气嘴干净无有误，实验室不能有火花等安全隐患☐不能让激光斑辐照到人体上，实验时要带好激光防护镜。
脉冲激光制膜技术烧蚀阶段的热特性研究
脉冲激光制膜技术烧蚀阶段的热特性研究谭新玉;张端明;李智;华关丽【期刊名称】《华中科技大学学报：自然科学版》【年(卷),期】2005(33)7【摘要】研究了用脉冲激光制备薄膜时激光烧蚀靶材的的全过程.从能量平衡原理出发,考虑气化带走热量的影响,分阶段地建立了含有气化项与热源项的适合于不同烧蚀阶段的热流方程,给出了相应的初始条件和边界条件.以单晶硅为例,用有限差分法进行模拟计算,得到了靶材在各个阶段温度随时间以及气化速度随时间的演化规律.结果表明,靶材熔融前(0<t≤τm),在固定位置,温度随时间推移而升高,且距离靶面越近,变化率越大.在同一时刻不同位置,温度随着热扩散距离增加而下降;靶材熔融后(τm<t≤τ),靶材表面的蒸发效应使得表面温度显著低于未考虑蒸发效应的计算结果;在激光辐照强度接近相爆炸能量豫值时,蒸发速度随时间的变化由于气体动力学效应和逆流现象将显著放缓.【总页数】3页(P65-67)【关键词】脉冲激光制膜;热扩散方程;气化效应;温度演化【作者】谭新玉;张端明;李智;华关丽【作者单位】华中科技大学物理系【正文语种】中文【中图分类】O484.1【相关文献】1.黏性液体在纳秒脉冲激光烧蚀下的特性研究 [J], 张思齐;梁田;高华;高禄;郑志远2.多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究 [J], 胡德志;吴金随3.纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究 [J], 谭新玉;张端明;李智华;关丽;李莉4.超短脉冲激光烧蚀金属靶热分布的数值解与解析解 [J], 陈安民;高勋;姜远飞;丁大军;刘航;金明星5.超短脉冲激光对透明介质的烧蚀特性研究 [J], 魏要丽;张伟;彭玉峰;吕珍龙;樊晓伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
脉冲激光气相沉积技术及其在ICF薄膜靶制备中的应用
第14卷 第6期强激光与粒子束Vol.14,No.6 2002年11月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Nov.,2002 文章编号: 100124322(2002)0620873204脉冲激光气相沉积技术及其在ICF薄膜靶制备中的应用Ξ吴卫东, 许 华, 魏 胜, 唐永建, 陈正豪(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 在ICF 实验及天体物理的辐射不透明实验中,经常用到多层薄膜靶,激光脉冲气相沉积(P LD )技术是制备多层薄膜靶的较好方法。
论述了P LD 技术的原理、实验方法和装置的设计,用该方法初步制备了原子级光滑的Cu 及Cu ΠFe 薄膜。
Cu 薄膜的均方根粗糙度为0.2nm ,Fe 薄膜的均方根粗糙度为0.4nm 。
关键词: 脉冲激光气相沉积; ICF ; 靶制备 中图分类号: T L639.11 文献标识码: A 在间接驱动ICF 实验中,驱动燃料靶丸的能量来自激光加热黑腔产生的软X 射线,因此改善黑腔的材料以增强产生软X 射线的能量和提高软X 射线的利用率是一个重要的问题,而多层膜和混合膜是解决这一问题的有效途径;同时在进行辐射不透明度的研究时也常常用到多层靶和合金靶。
因此,多层金属薄膜靶的制备技术日益受到人们关注。
脉冲激光器在过去的三十多年被用来产生高温高密度等离子体。
二十世纪八十年代以来,人们开始使用功率密度稍低的准分子激光器来沉积薄膜材料[1～6]。
利用大功率激光的热效应来制备薄膜[7～9],其原理是将激光束经过窗口引入真空容器内,照射并加热蒸发蒸镀材料,使其沉积在基片上。
这种方法的特点可概括如下:(1)可以蒸镀能吸收激光的高熔点物质(如石墨,其熔点>3500℃);(2)可得到极大的蒸发速率;(3)使用脉冲激光仅使靶表面层熔化、蒸发,蒸镀方法特殊;(4)材料加热源与蒸镀材料、基片不处于同一腔室,因此容易控制蒸镀环境气氛。
（原子与分子物理专业优秀论文）HGCDTE脉冲激光损伤机理及等离子体特性..
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实验中所用激光器的单脉冲最大能量为ｌ焦耳，其能量用数字能量计（ＯＰＨＩＲＤＧＸ．３０Ａ）测出。
图３．１实验装置示意图３．１．２理论分析激光的聚焦斑的直径为Ｏ．６６ｍｔｎ，面在激光脉｝中作用时间（１０ｎｓ）内，热扩散的长度（４４４４４４４蕊）为８００啪。
因此在激光与靶作用的时间内，可以忽略横向热传导，从而把这一圆３．２：激光辐照靶的横截面图过程近似作为是一维热传导来处理。
同时，由于相互作用时间极短，辐射到靶表面的激光能量可认为是均匀分布的，激光辐照靶的横截面示意图如图３．２所示。
激光在固体靶内的一维热传导方程为：塾一七堡生：ｏ（３．１）其中七为热扩散系数，它与热传导系数Ｋ的关系是七：旦。
Ｐｃ在求解上述的热传导方程过程中，一个重要的问题是对材料的热物理参数的处理。
在激光加热过程中，ＨｇＣｄＴｅ材料的热力学参量（如密度、比热、热传导系数等）都随温度的升高而变化的。
如果将它们作为温度的函数来处理，则热传导方程将变为非线性的，其求解过程将交得相当复杂。
为简便起见，我们将激光加热ＨｇＣｄＴｅ的物理过程作如下简化：山东师范大学博士学位论文图３．６Ｉ大气压下，等离子体的发射谱在波长４００－６００姗范围内随延迟时间的演化，激光功率密度为１．０Ｘ１０。
Ｗ／ｃｍ２图３．７功率密度为１．０Ｘ１０８Ｗ／ｃｍ２的激光单脉冲辐照ＨｇｏｓＣｄＤ２Ｔｅ表面的扫描电镜（ＳＥＭ）图像，上部分的放大倍数是下面选取部分的５倍。
３．３烧蚀速率３．３．１理论分析设入射到固体靶表面的激光功率密度为厶，靶材对激光的吸收系数为口，激光穿透。
脉冲MOCVD制备氮化硅薄膜研究
脉冲MOCVD制备氮化硅薄膜研究氮化硅薄膜是一种具有广泛应用前景的材料，被广泛应用于半导体、光学、电子、生物医学等领域。
传统的制备方法包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、激光沉积等，但这些方法存在着制备工艺复杂、设备成本高、制备工艺中经常出现氢气的解离和碳源污染等问题。
因此，在此基础上，近年来发展起来的脉冲MOCVD方法成为了一种新型制备氮化硅薄膜的重要方法，具有工艺简单、安全稳定、制备速度快等优点。
下面就脉冲MOCVD制备氮化硅薄膜进行研究，主要从反应机理、工艺条件优化以及制备薄膜的物理和化学性能等方面进行探讨。
一、反应机理脉冲MOCVD是一种化学气相沉积方法，通过化学气相反应将有机金属预体以及氨气等反应气体输送到衬底表面，并通过热解反应形成氮化硅薄膜。
反应机理主要有两个方面，一是金属有机预体的热解反应，二是氨气在衬底表面的分解反应。
金属有机预体的热解反应是制备氮化硅薄膜的关键，主要通过金属有机分子在高温条件下发生热解，产生金属原子并释放有机基团。
在该过程中，有机基团有两种处理方式：一种是通过表面反应形成氮化物；另一种是随着惰性气体的流动方向被带进沉积室，并在表面形成有机沉积物，这会对氮化硅膜的物理性能产生影响。
在此过程中，氨气的分解反应也是重要的一环。
氨气在高温条件下分解为氮和氢，这将由氮离子参与到氮化硅薄膜的生长过程中，形成氮化硅晶体。
二、工艺条件优化对于脉冲MOCVD制备氮化硅薄膜工艺条件的优化对于提高氮化硅膜的质量和特性也是非常重要的。
涉及到的主要因素有反应温度、金属有机前体流量、氨气气流等实验参数。
在实验过程中，需要综合考虑这些参数，制定一个最佳的制备方案。
反应温度是影响脉冲MOCVD制备氮化硅薄膜的重要参数。
反应温度过高，会导致氮化硅膜的结晶性下降，而反应温度过低则会影响氮化硅膜的成核和生长，从而影响膜的结构和物理性能。
反应温度应该根据前体的热降解温度来确定，预先进行实验以获得最佳的反应温度。
试述激光加工中材料蚀除的微观物理过程。
试述激光加工中材料蚀除的微观物理过程。
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激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的进展
激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的进展近年来，纳米材料在材料科学领域中引起了广泛的关注和研究。
纳米材料具有独特的物理化学性能和潜在的应用价值，因此备受科学家们的关注。
在这些纳米材料中，二氧化钛复合型纳米材料因其优异的光电性能和稳定性，在光催化、光电子器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。
而激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料在近年来备受研究者们的青睐，成为了研究的热点之一。
本文将就激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的研究进展进行探讨。
一、激光脉冲液相烧蚀法的原理激光脉冲液相烧蚀法是一种独特的纳米材料合成方法，其原理是利用激光脉冲能量将金属或氧化物靶材表面瞬时加热、融化，形成高温、高压的等离子体，使靶材表面发生溶解、汽化和离子化等过程，最终在惰性气氛中沉积成纳米颗粒。
激光脉冲液相烧蚀法具有合成过程简单、纯度高、颗粒大小可控等优点，因此在纳米材料合成领域受到了广泛的关注。
二、二氧化钛复合型纳米材料的研究现状当前，钛基复合型纳米材料已经成为了研究的热点之一。
主要是由于其比表面积大、晶格缺陷多、禁带宽度可调、光催化性能优异等优点使得其在环境净化、能源转换等领域具备广泛应用前景。
目前对于二氧化钛复合型纳米材料的研究还处于起步阶段，尤其是对于其在激光脉冲液相烧蚀法下的合成研究更是寥寥无几。
近年来，一些研究者开始利用激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料，并取得了一定的研究进展。
Liu等人利用激光脉冲液相烧蚀法成功合成了钛基二氧化钛纳米纤维材料，其具有优异的光催化性能和光电性能。
Zhang等人利用激光脉冲液相烧蚀法合成了钛基石墨烯复合型二氧化钛纳米材料，其具有良好的稳定性和光电性能。
研究者们还通过调控激光脉冲参数、靶材成分和溶液成分等方式，对激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料进行了系统的研究和优化。
研究结果表明，激光脉冲参数对纳米颗粒的尺寸和形貌具有重要的影响，通过合理设计激光参数，可以控制纳米颗粒的大小和分布。
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!"#$ 边界条件
假定靶材表面开始发生熔融时的时间为!: ，熔 融温度为 (:，且固液相界面从靶材表面以平面型的 形式开始向后靶面移动，即当 ’ 2 * !!: 时，激光的 能量沉积在靶材表面附近 ! 根据能量守恒条件和绝
热条件，可得靶材前、后表面的边界条件为
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%
9
"(（9 ) ")
，*）
)$’$（% Nhomakorabea&
66-%
物理学报
&! 卷
而当一个脉冲作用完毕之后，对烧蚀面同样可以作
绝热近似，即
&
)
!! ) !’
’#%
#%
（! 1 " 1 ! 3 "% ），（$4）
式中（! 3 "% ）为脉冲激光的一个脉冲周期 " 另外，当
算而得到的 0 图 . 示出在固定时刻靶材温度随位置的演化规
律 0 由图 . 可以看出，温度随热扩散距离的增加而下 降，且根据温度随热扩散距离的变化梯度可明显划 分为两个不同区域：在（( A *"94 ( 5 -( / 8 !）区域，由 于激光束的能量远远大于热传导损失的能量，因而 温度梯度很大；在（94 ( 5 -( / 8 ! A *"-4 - 5 -( / 9 !）区
**(<
物理学报
0( 卷
粒子 ! 设靶材表面达到蒸发态 所 需 的 弛 豫 时 间 为
!! ，则
""# $（% & #）$’!" !
（(）
根据文献［)］，!" 可表达为
!" $ ［( % & *+,（- & %）］%&’#& （& ("（. % & #）$’）* ! （)）
将（(）式代入（)）式，可得激光能量阈值 ""#为
#）$’
（’
2
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2 !:），
（=）
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"(（9 ) ")
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（’
2
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2 !:），
（%’）
式中 % 指 热 扩 散 距 离，为 确 定 起 见，令 % 值 为
( 5 (（4 $- *）’50［)］!
!"%$ 求解导热方程
微分方程（<）没有满足边界条件（=）和（%’）式的 解析解 ! 下面利用差分法求解微分方程（<），对具有 上述边界条件和初始条件的导热方程（<）进行数值 计算，采用带有很小舍项误差的完全隐式差分格式 来求解，这种有限差分法不受任何稳定性条件的限 制，因此，这种稳定是绝对的 !
#（- (）’（- (）"(（-")* ，*）
( ) $
" ")
%（- (）"(（-"))，*）
1（% & #）$（’ )，*）,+& ,)
（’ 2 * !!，’ 2 ) ! .），
（4）
式中下标 - $ /，& 分别对应于固相与液相，) 轴指与
靶材垂直的方向 ! 为方便计算，将坐标原点选在烧蚀
面上 !#（- (）指与温度有关的质量密度，’（- (）指与 温度有关的单位质量热容 ! 假定导热系数 %- 随温度
分方程可以写为
!（( ( ) -，) ) -）/ . !（( (，) ) -）) !（( ( / -，) ) -） !*.
（)
/
’）&( + 1/ +2!* %(
’
!（( (，) ) -）/ #(!"
!（(
(
，)） 0
（-,）
显然，差分方程（-,）的截断误差为 ,（!" )（!*）. ）0
图 - 表面达到熔点前靶材内的温度分布
"A 激光烧蚀靶材的过程及烧蚀面的 位置
高功率脉冲激光束作用于靶材时，靶表面吸收 大量激光能量，从而引起温度升高、熔融、气化、喷溅
等现象［"］* 强激光束照射靶材表面，靶材表面吸收激
光能量，使得其表面的温度急剧升高，当表面温度达
到靶材的熔点时，将发生熔融现象；继续加热到靶材
表面吸收的激光能量达到烧蚀潜热时，材料就从靶
& !"） +"）
（!" 2 * 2 !）（! 3）
（3）式是我们所得到的烧蚀面位置随时间的变化规
律 ! 从（3）式可以看出，烧蚀厚度随功率密度的增大
而增大，这与文献［3］的实验结果完全一致；烧蚀厚
度与时间呈线性关系，即从靶材表面开始烧蚀到脉
宽内（!" 2 * 2!），烧蚀面匀速向前推进，其推进速度 取决于激光和靶材的性质参数，这与文献［%，(，4］一
图 , 示出在固定的位置靶材温度随时间的演化 规律 0 由图 , 可以看出，温度随脉冲激光入射时间的 增加而升高，且距靶材表面越近，温度变化率越大， 也可明显划分为不同的区域 0 在（( A " "(4*3%$）区 域，表面温度随时间增加而急剧升高，这与靶材表面 层刚开始受热一致 0 刚受热时，来自表面的热传导损 失很低，此时，入射激光束占主导地位，因而温度变 化率很大 0 在（(4*3%$ A " A -493%$）区域，由于热传导 损失越来越多，从而使温度上升趋缓，后来，曲线几 乎呈线性关系，表明入射能量和传导对靶材的影响
""# $ ［( % & *+,（- & %）］
/ %&’#& （& ("（. % & #））* . $’ !
（0）
（0）式表明，激光能量阈值 ""# 不仅与靶材本身的性
质有关，还与激光工作参数有关 ! 这与文献［0］一致 !
此外，将（(）式代入（*）式，得
)*
（% & $ （#&
#）* $（’ * ’&!( 1
表 - 硅靶材的热物性参数
%$+
%>+
"$ +
"> +
$$+
$>+
（<+$·7!·=）（<+$·7!·=）（?+7!, ） （?+7!, ） （<+?·=）（<+?·=）
-4*
(49
. 4 ,,
. 4 3,
( 4 :3
( 4 :8
图 - 为靶材内的温度@位置@时间关系分布图， 其中显示的温度演化规律与文献［:］的结论基本一 致 0 但是文献［:］给出的靶材内的温度演化规律是以 先验性的假设为前提而得到的 0 而本文却是从动力 学演化的导热方程出发，在严格意义上，经过数值计
（--）
式中 !( 为初始温度，&$ ’（- / ’）&( ，’ 为靶材表面
的反射率，$$，"$ 和 %$ 分别为靶材的固态热容、密
度和导热系数 0 令 !（ "）’ !!，由（--）式就可得到靶
材表面到达熔点所需要的时间!!
!!
’
（, !!
/
!( ）. $$"$ * &.$
%$
0
（-.）
将方程（&）差分离散化，则对于节点（ (，)），相应的差
的变化很小，可 近 似 看 作 常 数，且 定 义 热 扩 散 率 $-
$ %-（. #-’- ），则导热方程（4）可表示为
"* ("（- ))*，*）1（%
&
#）$（’ )，*）,+& ,) 0-
$% $-
"(（- )，*） "*
（’ 2 * !!，’ 2 ) ! .）! （<）
)5 靶材表面发生熔融前的温度分布 规律
根据能量 平 衡 原 理，易 得 最 大 烧 蚀 厚 度（ 烧 蚀
面）!# 为［$］
!#
（! F D （"’
(%’!）（)&HF*#&）G7 ），
（"）
式中 % 为靶材表面的反射率，"’ 指材料的液态质量
密度，(’ 指材料的单位液态质量热容，!) 为最大温
差，*# 为气化潜热，&G7 为入射激光能量阈值，即当
表面被蒸发出去，这就是激光对靶材的烧蚀全过程 *
激光在靶材内部传播过程中，激光强度按指数
规律衰减，激光入射到距表面 ! 处的激光功率密度
" 为［"］
（" !，#）D "& EF $! ，
（!）
式中 "& 为入射到靶材表面（ ! D &）的激光平均功率
密度，即
!
"（" #）:#
"& D
&
!
，
式中! 为脉宽，$ 为靶材的吸收系数 *
!"#$ 硅靶材表面达到熔点之前温度演化规律模拟
根据方程（-,），模拟了硅靶材表面达到熔点之 前靶材 内 的 温 度 演 化 规 律 0 假 定 硅 靶 材 在 脉 宽 为 -3%$、激光功率密度为 -4 ** 5 -(& 6+7!. 激光垂直照 射下，靶材表面的反射率取为常数 (48，假定靶材对 激光的吸收系数为常数 -4 ( 5 -(9 !/ - ，表 - 列出硅靶 材的热物性参数［:］，初始温度取为 ,((; 0
图 . 靶材不同位置的温度分布
域，入射激光束的能量与热传导损失的能量相互平 衡 0 对于同一位置，时间越长，温度越高 0