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上篇 脉冲激光沉积动力学第1章　薄膜材料与制备方法引论3

1.1　薄膜材料的特点3

1.2　常见的薄膜材料4

1.2.1　结构薄膜材料4

1.2.2　功能薄膜材料6

1.3　铁电薄膜材料9

1.3.1　铁电薄膜材料的结构、性能与应用10

1.3.2　铁电薄膜制备12

1.4　钽铌酸钾铁电薄膜材料13

1.4.1　KTN材料的结构与相变14

1.4.2　KTN材料的介电与铁电性能15

1.4.3　KTN薄膜的制备、实验研究现状及发展趋势16

1.5　常见的薄膜制备方法21

1.5.1　真空蒸发沉积22

1.5.2　分子束外延法22

1.5.3　溶胶-凝胶法23

1.6　溅射法24

参考文献26

第2章　薄膜的缺陷和界面的实验表征32

2.1　薄膜的缺陷32

2.1.1　点缺陷32

2.1.2　线缺陷34

2.2　薄膜的界面与薄膜间的相互扩散37

2.2.1　薄膜与衬底间的界面38

2.2.2　不同材料薄膜之间的界面39

2.3　常见的实验表征方法41

2.4　X射线衍射分析43

2.5　扫描隧道显微镜46

2.6　扫描近场光学显微镜52

参考文献55

第3章　脉冲激光沉积技术及其Z-L模型一般描述60

3.1　PLD技术发展过程60

3.2　PLD技术制备薄膜的实验工艺63

3.3　PLD技术制备过程的一般描述68

3.3.1　PLD技术的物理图像的一般描述68

3.3.2　激光与靶材的相互作用69

3.3.3　等离子体膨胀72

3.3.4　衬底上沉积成膜74

3.4　PLD技术的Z-L模型简介74

3.4.1　脉冲激光烧蚀靶材过程的描述75

3.4.2　等离子体的空间膨胀过程研究77

3.4.3　薄膜沉积特性研究78

3.4.4　等离子体冲击波模型78

参考文献80

第4章　激光烧蚀的基本模型与含热源项模型84

4.1　激光烧蚀产生的烧蚀面的位置演化规律85

4.1.1　烧蚀过程的基本物理图像85

4.1.2　烧蚀面的位置演化规律86

4.2　烧蚀方程的导热方程和定解条件88

4.2.1　导热方程与定解条件88

4.2.2　边界条件的非线性89

4.2.3　积分法90

4.3　液相区和固相区的温度演化规律91

4.3.1　液相区温度演化规律91

4.3.2　固相区温度演化规律91

4.4　蒸发弛豫过程对烧蚀面的影响95

4.4.1　激光烧蚀能量阈值、弛豫时间96

4.4.2　烧蚀面位置的演化规律96

4.5　含热源项的激光烧蚀导热理论模型97

4.5.1　导热方程97

4.5.2　熔融前的定解条件97

4.5.3　熔融后的定解条件98

4.6　靶材熔融前的温度分布演化规律99

4.6.1　靶材熔融前温度分布的差分模拟研究99

4.6.2　靶材熔融前温度随位置的分布规律100

4.6.3　靶材熔融前温度随时间分布的演化规律101

4.7　靶材熔融后的温度和界面演化规律102

4.7.1　固液相的温度演化规律和固液相界面演化规律102

4.7.2　硅靶材熔融后的温度分布模拟103

参考文献105

第5章　含蒸发项和热源项的以及靶材吸收率烧蚀模型107

5.1　不同烧蚀阶段的含蒸发项的热传导问题108

5.1.1　靶材熔融前导热方程和定解条件108

5.1.2　靶材熔融后且脉冲持续阶段液相的导热方程109

5.1.3　靶材熔融且脉冲结束后的液相导热方程110

5.1.4　靶材融熔后固相的导热方程和有关定解条件的讨论110

5.2　不同烧蚀阶段靶材温度演化及蒸发特性111

5.2.1　熔融前固相温度分布演化规律111

5.2.2　熔融后且脉冲持续阶段的液相部分温度演化及蒸发效应研究113

5.2.3　熔融后脉冲持续阶段的靶材固态部分温度演化115

5.2.4　脉冲结束后靶材的温度分布及蒸发效应研究116

5.3　激光烧蚀的动态吸收率119

5.3.1　靶材动态吸收率定义式120

5.3.2　激光表面吸收率随时间的变化关系120

5.3.3　入射靶材的高斯形激光功率密度121

5.4　激光烧蚀的导热方程及边界条件121

5.4.1　包含动态吸收率的激光烧蚀导热方程121

5.4.2　定解条件122

5.4.3　靶材熔融前的差分方程122

5.5　数值模拟及讨论123

5.5.1　吸收率变化时硅靶材温度随时间的变化规律123

5.5.2　吸收率变化与不变两种情况所对应的温度随时间变化规律之比较125

5.5.3　钨靶材表面温度的演化规律127

5.6　非傅里叶带热源项的热传导模型与烧蚀熔融前靶材温度演化规律129

5.6.1　理论模型129

5.6.2　一维双曲热传导方程的分析求解132

5.6.3　模拟结果和讨论133

5.7　等离子体屏蔽效应137

5.7.1　模型138

5.7.2　以YBa2Cu3O7为例计算并分析烧蚀过程中的一些变化规律141

参考文献144

第6章　等离子体的演化及冲击波规律研究150

6.1　脉冲激光烧蚀产生的等离子体发射150

6.1.1　电子发射151

6.1.2　离子发射152

6.1.3　中性粒子发射152

6.2　等离子体的空间膨胀152

6.2.1　等离子体的空间等温膨胀过程153

6.2.2　等离子体的绝热膨胀过程155

6.3　激光工作参数与沉积薄膜特性关系156

6.3.1　薄膜厚度分布与激光功率密度的关系157

6.3.2　薄膜厚度分布与激光波长的关系158

6.3.3　KTN薄膜的组分特性与激光功率密度的关系159

6.4　等离子体的速度及外形演化规律160

6.4.1　等温膨胀阶段等离子体的速度演化规律模拟160

6.4.2　绝热膨胀阶段等离子体的速度演化规律模拟163

6.4.3　等离子体外形随时间的演化规律164

6.5　有限爆炸时间的冲击波模型的建立166

6.5.1　Sedov-Taylor瞬时点爆炸理论166

6.5.2　脉冲激光等离子体冲击波积累的总能量的时间行为的研究167

6.5.3　脉冲激光等离子体冲击波传播特性的研究168

6.5.4　脉冲激光等离子体冲击波能量特性的研究169

6.5.5　脉冲激光等离子体冲击波波前位置随时间的演化特性研究170

6.5.6　脉冲激光等离子体冲击波波前速度演化特性研究171

6.6　冲击波渐近行为的研究172

6.6.1　高能脉冲激光等离子体冲击波的产生阶段（第一阶段）172

6.6.2　高能脉冲激光等离子体冲击波的传播阶段（第二阶段）173

6.6.3　自由参数的确定174

6.6.4　等离子体冲击波在整个空间中传播的基本方程175

6.6.5　冲击波最大马赫数Ma0与总能量E0的关系176

6.6.6　冲击波传播过程中的衰减因子176

参考文献178

第7章　薄膜生长过程研究181

7.1　薄膜生长过程中的微观变化181

7.1.1　气相粒子的吸附181

7.1.2　薄膜的形成183

7.1.3　表面活性剂对薄膜生长的影响184

7.2　薄膜生长理论研究概况185

7.2.1　分子动力学185

7.2.2　能量最小化186

7.3　蒙特卡罗方法及其在薄膜生长研究中的应用187

7.4　在薄膜生长中主要应用的蒙特卡罗模型189

7.4.1　扩散限制聚集模型及其相关模型189

7.4.2　考虑衬底温度的蒙特卡罗模型191

7.4.3　动力学蒙特卡罗模型192

7.5　薄膜生长初期的蒙特卡罗模型193

7.5.1　基本物理过程194

7.5.2　衬底表面生长点的确定195

7.6　衬底温度与激光能量对生长岛变化的影响195

7.6.1　衬底温度对岛生长形貌的影响196

7.6.2　激光能量密度对薄膜生长的影响197

参考文献198

第8章　相爆炸和PLD技术机制研究最新进展202

8.1　激光烧蚀包含的基本热过程203

8.1.1　激光烧蚀包含的基本热过程的分析203

8.1.2　普通汽化现象203

8.1.3　正常沸腾现象205

8.2　PLD技术中的相爆炸现象209

8.2.1　PLD技术中的相爆炸209

8.2.2　相爆炸的功率密度阈值209

8.2.3　相爆炸发生的运动学限制条件210

8.2.4　亚表面超热模型213

8.3　PLD技术机制研究的若干最新进展215

8.3.1　关于相变问题的研究216

8.3.2　气相粒子行为的动力学理论218

参考文献222

附录A　带再凝聚边界条件的Knudsen层特性226

附录B　反射边界条件227

附录C　马赫数假设227

附录D　有关工程热物理的几个物理概念228

下篇 玻璃基薄膜233

第9章　TiO2薄膜光催化自洁净玻璃的溶胶-凝胶技术制备研究233

9.1　TiO2薄膜光催化自洁净玻璃的研究背景234

9.1.1　半导体TiO2的光催化作用原理234

9.1.2　增强TiO2光催化剂活性的方法235

9.1.3　半导体TiO2光催化剂的其他应用237

9.1.4　半导体TiO2薄膜在自洁净玻璃中的应用原理240

9.2　玻璃表面TiO2薄膜的溶胶-凝胶技术制备242

9.2.1　溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜的原理与工艺242

9.2.2　溶胶-凝胶法TiO2薄膜的表面结构244

9.2.3　溶胶-凝胶法TiO2薄膜的化学组成246

9.2.4　TiO2薄膜的光催化活性研究248

9.3　玻璃表面TiO2薄膜光催化活性的增强251

9.3.1　钠离子对TiO2薄膜光催化活性的危害及其消除方法251

9.3.2　纳米薄膜的多孔化增强光催化活性253

9.4　玻璃表面TiO2多孔薄膜的光致超亲水性257

9.4.1　表面粗糙度对润湿角影响的理论分析257

9.4.2　多孔TiO2薄膜的亲水性258

9.5　TiO2/SiO2复合薄膜的光催化活性和光致超亲水性260

参考文献261

第10章　TiO2薄膜的磁控溅射法制备267

10.1　等离子体溅射镀膜方法267

10.1.1　等离子体溅射镀膜基本原理267

10.1.2　常用溅射方式268

10.1.3　玻璃基等离子体溅射镀膜的特点270

10.2　玻璃基TiO2薄膜的溅射制备271

10.2.1　氧气分压和离线热处理温度对TiO2薄膜结构的影响271

10.2.2　基片温度对TiO2薄膜结构的影响276

10.2.3　镀膜试样的荧光发射光谱278

10.2.4　镀膜试样表面组成的离子状态280

10.2.5　TiO2薄膜的表面形貌282

10.2.6　TiO2镀膜玻璃试样的光学性能286

10.3　TiO2镀膜玻璃的光催化性能290

10.3.1　TiO2薄膜的润湿角测试290

10.3.2　TiO2薄膜结构与亲水性关系293

10.3.3　玻璃基TiO2薄膜光催化降解有机物性能294

10.4　本章小结296

参考文献297

第11章　玻璃基TiO2/TiN/TiO2多层膜的溅射制备300

11.1　TiN薄膜反射红外线的原理300

11.2　氮气分压对TiNx薄膜结构的影响302

11.2.1　TiN薄膜的表面组成302

11.2.2　TiN的物相结构302

11.2.3　TiN薄膜的表面形貌303

11.2.4　TiN薄膜的化学组成和离子状态305

11.2.5　TiN薄膜的电性能分析307

11.2.6　玻璃基TiN镀膜试样的可见光谱308

11.3　玻璃基TiO2/TiN/TiO2多层膜的结构和性能表征310

11.3.1　样品制备310

11.3.2　多层膜的表面组成和形貌311

11.3.3　多层膜试样的光谱性能分析312

11.3.4　多层膜试样的节能指标分析313

11.3.5　多层膜试样的水润湿性能314

11.3.6　多层膜镀膜样品光催化性能315

11.3.7　镀膜样品某些理化性能测试315

参考文献316

第12章　石英玻璃毛细管内高反射薄膜的制备318

12.1　高反射薄膜与CO2激光传输空芯光纤318

12.1.1　CO2激光的原理318

12.1.2　传输CO2激光的空芯光纤的研究现状320

12.2　高反射薄膜空芯光纤的结构设计322

12.2.1　空芯光纤的主要结构类型322

12.2.2　高反射膜空芯光纤的结构设计323

12.3　高反射薄膜空芯光纤的制备325

12.3.1　金属薄膜制备325

12.3.2　高分子COP膜涂层金属薄膜制备及性能330

参考文献334

第13章　全反射与全反射薄膜空芯光纤337

13.1　全反射薄膜空芯光纤的理论基础337

13.1.1　材料的反常色散与复折射率337

13.1.2　全反射空芯光纤的结构和光传输原理341

13.1.3　材料复折射率的计算模型342

13.1.4　空芯波导的理论损耗计算模型346

13.1.5　全反射空芯波导的附加损耗计算模型346

13.2　可用于全反射空芯波导的主要材料347

参考文献349

第14章　毛细管内薄膜制备技术的研究352

14.1　毛细管内溶胶-凝胶镀膜352

14.1.1　毛细管内溶胶-凝胶涂层的制备353

14.1.2　毛细管内溶胶-凝胶涂层的转化355

14.1.3　毛细管内凝胶涂层的热处理356

14.2　溶胶-凝胶薄膜累积厚度预测新方法357

14.2.1　影响薄膜厚度的因素358

14.2.2　薄膜厚度预测新方法的建立362

参考文献366

第15章　致密氧化铝薄膜全反射空芯光纤的研究369

15.1 Kozodoy和Harrington的研究369

15.2　溶胶-凝胶法制备致密Al2O3薄膜的制备研究371

15.2.1　Al2O3溶胶的凝聚法制备及其薄膜的性能371

15.2.2　Al2O3溶胶的分散法制备及其薄膜的性能379

15.3　分散法制备Al2O3溶胶的改性及其致密厚膜的制备385

15.3.1　改性氧化铝溶胶的合成工艺386

15.3.2　分散法氧化铝溶胶的EAcAc改性机制387

15.3.3　改性氧化铝溶胶制备致密氧化铝薄膜389

15.3.4　氧化铝溶胶-凝胶涂层的开裂机制与临界厚度391

15.4　无开裂氧化铝致密厚膜的制备393

15.4.1　PVP改性氧化铝溶胶的制备394

15.4.2　PVP与氧化铝溶胶的作用机制396

15.4.3　PVP改性铝溶胶的表面张力和热失重对凝胶抗开裂的影响400

15.5　氧化铝厚膜的全反射性能及空芯光纤光衰减性能分析406

参考文献408

第16章　GeO2基全反射薄膜空芯光纤的制备研究412

16.1 全反射SiO2-TiO2-GeO2非晶态薄膜制备及其性能412

16.1.1　锗基氧化物溶胶的合成413

16.1.2　石英玻璃毛细管内SiO2-TiO2-GeO2非晶态薄膜的制备415

16.1.3　毛细管内SiO2-TiO2-GeO2溶胶涂层的结构分析415

16.1.4　SiO2-TiO2-GeO2涂层空芯光纤的性能分析424

16.2　全反射SiO2-GeO2非晶态薄膜制备及其性能425

16.2.1　溶胶的制备425

16.2.2　双羰基化合物改性氧化锗溶胶的合成428

16.2.3 由TEOG和TEOS制备锗硅溶胶429

16.2.4　由TEOG和二甲基硅氧烷制备锗硅溶胶431

16.2.5　GeO2-SiO2薄膜的反常色散及空芯光纤性能437

参考文献438

跋441

后记443