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1、------------------------------------------------------------------------------------------------纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究第54卷第8期2005年8月100023290Π2005Π54(08)Π3915207物 理 学 报ACTAPHYSICASINICAVol.54,No.8,August,2005ν2005Chin.Phys.Soc.谭新玉1)2)3 张端明 李智华1)2)1)1)?? 关 丽 李 莉1)1)(华中科技大学物理系,武汉 430074)(三峡大学物理系,宜昌 )(
2、2004年11月15日收到;2005年月7 ,然后利用较为符合,.结合适当的边界条件,以Si靶材为例,.结果表明,在脉冲激光辐照阶段,靶材表面的蒸发效应使;在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时,蒸发速度与蒸发厚度的变化由于逆流现象将显著放缓.2液界面随时间的演化方程,这一结论较先前工作更具有普适性.——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------关键词:脉冲激光烧蚀,热流方
3、程,温度演化,有限差分法PACC:8115J,6610C,522511引言脉冲激光沉积(PLD)是近几年发展起来的一种新型薄膜制备技术,人们利用PLD技术已经成功制备了许多铁电薄膜、光学薄膜、半导体金属薄膜[1—6]等.高能短脉冲激光烧蚀块状靶材在实验和理论研究上已取得很大进展,但是对烧蚀过程中尤其对整个烧蚀过程各阶段的热特性进行较全面研究的[4,7]文献还不多,在分析激光辐照的烧蚀特性时考虑了汽化现象影响的更少,国外有人正在开展研[8,9]究,国内尚未见有这方面的系统报道.我们认为在进一步的深入讨论中,这一效应是必须加以考虑的.本文首先进行了基于超热理论的靶材烧蚀相变特性分析.然后从能量
4、守恒原理出发,考虑汽化带走热量的影响,利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度,分阶段建立了含有汽化项与热源项的脉冲持续阶段三个不同的热流方程,给出了更加合理的初始条件和边界条件.在此基础上,以Si为例,利用有限差分法模拟了靶材固、液态的温度演化规律,讨论了靶材的烧蚀特性,导出了包含有熔3融弛豫时间的固2液界面随时间变化的运动学方程.[4,7,10]——————————————————————————————————————-------------------------------------------------------------------------------
5、-----------------(目前普将液态时的温度与假定无蒸发存在时遍采用的模型)的温度变化规律进行了比较.模拟过程中,利用脉冲宽度为3ns、激光能量密度为81152JΠcm的高斯型脉冲激光垂直照射硅靶材.21靶材烧蚀相变特性分析 高能脉冲激光作用于靶材时,靶材表面吸收大量激光能量,激光迅速消融固体靶面,从而引起靶材温度急剧上升,产生相变、汽化、超热及相爆炸等现[11—15]象.当靶材温度达到靶材熔点时,熔融发生,此时已变为液态的表面层出现正常的液相蒸发.继续加热,当靶材表面吸收的能量达到汽化潜热时,在正[12]常情况将出现沸腾现象.但纳秒级激光作用时间短,无法有足够时间形成普通沸
6、腾所需气泡核,且激光功率密度又足够高,靶材表面的饱和蒸汽压由于汽化而急剧增大,故前部分熔化的液态靶材将成为[6—10]超热液体.如果激光功率密度超过某一阈值、超热液体温度达到019Tc(Tc为热力学临界温度),均(爆炸性沸腾)发生,匀成核现象将出现,相爆炸液态靶材迅速由超热液体转变为液滴和蒸汽混合[7—13]激光技术国家重点实验室基金(批准号:9713D)——————————————————————————————————————---------------------------------------------------------------------------------
7、---------------、湖北省自然科学基金(批准号:2001ABB099)和国家自然科学基金(批准号:50272022)资助的课题.??E2mail:lily.lzh@263.net3916物 理 学 报54卷物,产生近似固体密度的等离子体,从靶表面溅射出[6]去(实验表明此过程将在脉冲结束后数百纳秒发生).这就是激光对靶材的烧蚀全过程.激光与固体靶材作用过程如图1所示.+bI(x,t)(0<t≤τδ
