脉冲激光烧蚀晶体Ge的动力学模拟

论文摘要

脉冲激光烧蚀技术因其自身的许多优点，被广泛应用于高新技术的诸多领域。特别是在微电子／光电子器件、纳米材料制备以及新型元器件制备等领域有着重要的地位，并具有很大的发展潜力。对脉冲激光烧蚀过程和作用机制的深入研究，将有利于激光烧蚀技术的进一步发展。本文在金属导体激光烧蚀模型的基础上，建立了一维半导体激光烧蚀模型，研究紫外激光与晶体Ge相互作用以及产生烧蚀蒸汽的膨胀过程。模型综合考虑了靶的传热、烧蚀蒸汽在背景气体下的膨胀、等离子体的形成以及对激光能量的吸收、电子热传导，两种粒子之间的相互扩散以及回流凝结等物理过程。并利用牛顿迭代法、有限差分法和黎曼解法进行求解。利用所建模型，分析了不同激光功率密度和背景气压对烧蚀和蒸汽膨胀的影响。此外，分析了特定条件下(1torr氦气环境下，波长为248nm，峰值功率密度分别为4×10~8w／cm~2和1×10~8w／cm~2的高斯型(FWHM=7ns)KrF准分子激光脉冲)激光烧蚀晶体Ge和烧蚀蒸汽的性质，得到Ge靶的表面温度、蒸发深度、表面烧蚀率随时间的变化以及不同时刻烧蚀蒸汽温度、速度、电离度的空间分布。对结果进行分析后得到如下结论：(1)激光功率密度的变化对烧蚀的影响很大。照射的激光功率密度越大，靶的表面温度越高，蒸发深度越大，烧蚀蒸汽膨胀的速度和空间尺度也越大，等离子体屏蔽现象出现越早。在给定的烧蚀条件下，等离子体屏蔽的阈值在1×10~8w／cm~2与1.5×10~8w／cm~2之间；(2)在惰性气体环境下，气压的变化对靶面温度和蒸发深度的影响不大，但烧蚀蒸汽的膨胀速度和膨胀的空间尺度随气压的增大而减小；(3)烧蚀蒸汽的电离和吸收激光能量对蒸汽膨胀的影响非常大，吸收的激光能量可转化为蒸汽的动能；(4)在脉冲结束时刻，整个蒸汽区域Ge几乎完全电离。在靶面附近区域，Ge的一价电离占优势；在蒸汽的中心区域，Ge的二阶电离较占优势；在冲击波区域，Ge的电离度与波前的高温有很大关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 脉冲激光烧蚀技术的应用
• 1.1.1 脉冲激光烧蚀技术在制备纳米材料上的应用
• 1.1.2 脉冲激光烧蚀技术在分析化学上的应用
• 1.2 脉冲激光烧蚀过程和机理的研究现状
• 1.2.1 烧蚀蒸气的动力学特性分析
• 1.2.2 激光烧蚀过程和机理的基本物理模型
• 1.3 论文的工作及安排
• 2 激光与固体材料相互作用理论基础
• 2.1 物质对激光的反射和吸收
• 2.2 半导体对激光的吸收机制
• 2.2.1 导体、半导体、绝缘体的能带分布
• 2.2.2 半导体对激光的吸收
• 2.3 纳秒级激光脉冲烧蚀的基本理论
• 2.3.1 一维热传导方程
• 2.3.2 Knudsen层理论
• 2.3.3 Knudsen层外蒸汽流动
• 2.3.4 蒸汽电离和对激光能量的吸收
• 2.4 本章小结
• 3 纳秒脉冲激光烧蚀模型的建立
• 3.1 模型建立的背景以及适用的条件
• 3.2 一维热传导模型
• 3.3 一维气体动力学模型
• 3.4 等离子体的形成和对激光能量的吸收
• 3.5 初始和边界条件
• 3.5.1 一维热传导方程的初始和边界条件
• 3.5.2 气体动力学的方程的初始和边界条件
• 3.6 冲击波和数值计算方法
• 3.6.1 冲击波的传播
• 3.6.2 一维气体动力学方程的黎曼解法
• 3.7 本章小结
• 4 脉冲激光烧蚀过程和烧蚀蒸汽的动力学特性分析
• 4.1 激光功率密度的影响
• 4.1.1 激光功率密度对等离子体屏蔽的影响
• 4.1.2 激光功率密度对靶面温度和蒸发深度的影响
• 4.1.3 功率密度对烧蚀蒸汽膨胀的影响
• 4.2 特定条件下脉冲激光烧蚀和烧蚀蒸汽的性质
• 4.2.1 等离子体屏蔽对入射激光功率密度的影响
• 4.2.2 Ge靶的加热、熔化、蒸发过程
• 4.2.3 烧蚀蒸汽的性质
• 4.2.4 烧蚀蒸汽的电离度
• 4.2.5 屏蔽前后的蒸汽性质
• 4.2.6 透明烧蚀蒸汽的性质
• 4.3 背景气压的影响
• 4.3.1 背景气压对靶面温度和蒸发深度的影响
• 4.3.2 背景气压对烧蚀蒸汽膨胀过程的影响
• 4.3.3 1000torr气压下烧蚀蒸汽的性质
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢