激光烧蚀制备纳米Si薄膜的成核区动力学研究

论文摘要

本工作采用脉冲激光烧蚀(PLA)技术,在10 Pa的Ar气环境下,在羽辉正下方、沿羽辉轴线平行方向放置单晶Si或玻璃衬底沉积制备了一系列纳米Si薄膜,并利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射(Raman)仪,对其表面形貌、晶态成分等特性进行了分析和表征。实验结果表明：在衬底上的纳米Si薄膜只在一定的范围内形成,且其晶粒的平均尺寸具有随距靶距离的增加先变大后减小的规律,平均尺寸的最大值出现在距靶1.3 cm处。结合晶粒传输动力学模型和流体模型,确定了成核区的大致位置和范围。其它条件不变的情况下,改变环境气压,得到相应成核区位置和范围,发现气压越大,成核区位置越靠近靶的位置,且范围越宽。为了比较精确地确定成核区位置和范围,在晶粒运动过程中,外加垂直于羽辉方向的均匀电场。改变电场的强度,沉积制备了一系列纳米Si薄膜。通过分析外加电场对制备纳米Si晶粒的平均尺寸及其分布的影响,可以判断出所形成的纳米晶粒大部分带正电。结合不同电压下的实验结果与成核区确定公式,给出晶粒传输的动力学方程组,通过数值模拟对其求解,比较精确地计算出成核区的位置和范围。本工作所提出的成核区位置和范围的确定方法以及所得到的结果,有助于对PLA的成核机理和传输动力学的理解,为获得晶粒尺寸分布均匀可控的高质量纳米Si薄膜提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 Si基纳米材料的研究意义
• 1.2 脉冲激光烧蚀制备纳米材料的研究现状
• 1.3 本工作的意义及创新点
• 第2章 实验方法和样品检测
• 2.1 脉冲激光烧蚀沉积原理及特点
• 2.2 实验装置及特点
• 2.3 纳米Si薄膜的制备过程
• 2.4 样品检测技术
• 第3章 气相成核区位置和范围的确定
• 3.1 成核区模型
• 3.2 理论分析
• 3.3 成核区位置和范围的确定
• 第4章 环境气压对成核区位置和范围的影响
• 4.1 气压为1 PaAr气条件下成核区的确定
• 4.2 气压为100 PaAr气条件下成核区的确定
• 4.3 环境气压对晶粒分布及成核区的影响
• 第5章 通过引入外加电场确定成核区的方法
• 5.1 不同电压下的实验结果及比较
• 5.1.1 实验结果
• 5.1.2 实验结果比较
• 5.2 通过外加电场确定成核区
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 附录
• 致谢