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第1章 薄膜材料与制备方法引论1

1.1薄膜材料的特点1

1.2常见的薄膜材料2

1.2.1结构薄膜材料2

1.2.2功能薄膜材料4

1.3常见的薄膜制备方法10

1.3.1真空蒸发沉积10

1.3.2分子束外延法11

1.3.3溶胶-凝胶法11

1.3.4溅射法12

参考文献14

第2章 薄膜的缺陷、界面与表征18

2.1薄膜的缺陷18

2.1.1点缺陷18

2.1.2线缺陷20

2.2薄膜的界面与薄膜间的相互扩散23

2.2.1薄膜与衬底间的界面24

2.2.2不同材料薄膜之间的界面25

2.3薄膜材料的表征26

2.4 X射线衍射分析28

2.5扫描隧道显微镜32

2.6扫描近场光学显微镜38

参考文献40

第3章 PLD技术及其Z-L模型一般描述44

3.1 PLD发展过程44

3.2 PLD技术制备薄膜的实验工艺47

3.3 PLD制备过程的一般描述51

3.3.1 PLD技术的物理图像的一般描述51

3.3.2激光与靶材的相互作用52

3.3.3等离子体膨胀55

3.3.4衬底上沉积成膜56

3.4 PLD的Z-L模型简介57

3.4.1脉冲激光烧蚀靶材过程的描述58

3.4.2等离子体的空间膨胀过程研究59

3.4.3薄膜沉积特性研究60

3.4.4等离子体冲击波模型61

参考文献62

第4章 激光烧蚀的基本模型与含热源项模型65

4.1激光烧蚀产生的烧蚀面的位置演化规律65

4.1.1烧蚀过程的基本物理图像65

4.1.2烧蚀面的位置演化规律66

4.2烧蚀方程的导热方程和定解条件68

4.2.1导热方程与定解条件68

4.2.2边界条件的非线型性70

4.2.3积分法70

4.3液相区和固相区的温度演化规律71

4.3.1液相区的温度演化规律71

4.3.2固相温度演化规律72

4.4蒸发弛豫过程对烧蚀面的影响76

4.4.1激光烧蚀能量阈值、弛豫时间76

4.4.2烧蚀面位置的演化规律77

4.5含热源项的激光烧蚀导热理论模型77

4.5.1导热方程77

4.5.2熔融前的定解条件78

4.5.3熔融后的定解条件78

4.6靶材熔融前的温度分布演化规律79

4.6.1靶材熔融前温度分布的差分模拟研究79

4.6.2靶材在熔融前温度随位置的分布规律80

4.6.3靶材熔融前温度分布的演化规律81

4.7靶材熔融后的温度和界面演化规律82

4.7.1固液相的温度演化规律和固液界面演化规律82

4.7.2硅靶材熔融后的温度分布模拟83

参考文献85

第5章 含蒸发项、热源项和靶材吸收率的烧蚀模型87

5.1不同烧蚀阶段的含蒸发项的热传导问题87

5.1.1靶材熔融前导热方程和定解条件88

5.1.2靶材熔融后且脉冲持续阶段液相的导热方程89

5.1.3靶材熔融且脉冲结束后的液相导热方程90

5.1.4靶材熔融后固相的导热方程和有关定解条件的讨论90

5.2不同烧蚀阶段靶材温度演化及蒸发特性91

5.2.1熔融前固相温度分布演化规律91

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93

5.2.3熔融后脉冲持续阶段的靶材固态部分温度演化95

5.2.4脉冲结束后靶材的温度分布及蒸发效应研究96

5.3激光烧蚀的动态吸收率100

5.3.1靶材动态吸收率定义式101

5.3.2激光表面吸收率随时间的变化关系101

5.3.3入射靶材的高斯型激光功率密度102

5.4激光烧蚀的导热方程及边界条件103

5.4.1包含动态吸收率的激光烧蚀导热方程103

5.4.2定解条件103

5.4.3靶材熔融前的差分方程104

5.5数值模拟及讨论104

5.5.1吸收率变化时硅靶材温度随时间的变化规律104

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106

5.5.3钨靶材表面温度的演化规律108

5.6带热源项的非傅里叶热传导模型与烧蚀熔融前靶材温度演化规律110

5.6.1理论模型110

5.6.2一维双曲热传导方程的分析求解112

5.6.3模拟结果和讨论114

5.7等离子体屏蔽效应118

5.7.1模型119

5.7.2以YBa2Cu3O7为例计算并分析烧蚀过程中的一些变化规律121

参考文献124

第6章 高能激光烧蚀靶材动力学的新探索129

6.1紫外纳秒PLA的改进热动力学模型130

6.1.1靶材熔蚀前导热方程和定解条件130

6.1.2熔融后脉冲持续阶段液体靶材的热传导方程及定解条件131

6.2纳秒脉冲激光烧蚀的物理图像132

6.3烧蚀过程中动态吸收率134

6.4关于蒸发效应和等离子体屏蔽效应135

6.5改进模型的数值模拟研究136

6.5.1紫外激光辐照下铁靶材温度的三维变化图136

6.5.2三种热传导模型下的靶材温度演化分布规律比较137

6.5.3烧蚀深度随激光能量密度的演化规律138

6.6多组分靶材氧化物超导体的烧蚀研究139

6.6.1多组分靶材等离子体屏蔽效应139

6.6.2红外脉冲激光烧蚀多组分氧化物超导体的烧蚀模型141

6.7靶材表面的蒸发现象和等离子体屏蔽142

6.7.1靶材表面的蒸发现象142

6.7.2等离子体屏蔽效应144

参考文献146

第7章 等离子体的演化及冲击波规律研究150

7.1脉冲激光烧蚀产生的等离子体发射150

7.1.1电子发射151

7.1.2离子发射151

7.1.3中性粒子发射152

7.2等离子体的空间膨胀152

7.2.1等离子体的空间等温膨胀过程152

7.2.2等离子体的绝热膨胀过程154

7.3激光工作参数与沉积薄膜特性关系155

7.3.1薄膜厚度分布与激光功率密度的关系156

7.3.2薄膜厚度分布与激光波长的关系157

7.3.3 KTN薄膜的组分特性与激光功率密度的关系158

7.4等离子体的速度及外形演化规律159

7.4.1等温膨胀阶段等离子体的速度演化规律模拟159

7.4.2绝热膨胀阶段等离子体速度演化规律模拟162

7.4.3等离子体外形随时间的演化规律163

7.5有限爆炸时间的冲击波模型的建立164

7.5.1 Sedov-Taylor瞬间点爆炸理论165

7.5.2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166

7.5.3脉冲激光等离子体冲击波的传播特性的研究167

7.5.4脉冲激光等离子体冲击波能量特性的研究168

7.5.5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168

7.5.6脉冲激光等离子体冲击波波前速度演化特性研究169

7.6冲击波的渐近行为的研究170

7.6.1高能脉冲激光等离子体冲击波的产生阶段（第一阶段）171

7.6.2高能脉冲激光等离子体冲击波的传播阶段（第二阶段）171

7.6.3自由参数的确定172

7.6.4等离子体冲击波在整个空间中传播的基本方程173

7.6.5冲击波最大马赫数M0与总能量E0的关系174

7.6.6冲击波传播过程中的衰减因子175

参考文献176

第8章 等离子体演化动力学的新探索178

8.1等离子体演化中的物理图像178

8.1.1物理图像178

8.1.2一维动力源模型180

8.2新的等离子体膨胀动力学模型181

8.2.1考虑等离子体动力源时数密度的计算181

8.2.2考虑电离效应时等离子体粒子数密度和压强的计算182

8.2.3新的等离子体膨胀动力学方程182

8.3等离子体动力学方程组的约化183

8.3.1等温膨胀阶段中动力学方程组的约化183

8.3.2等离子体绝热阶段动力学方程的约化184

8.4等离子体的动力学特性的定性分析186

8.5纳秒脉冲激光沉积中等离子体膨胀过程的数值模拟研究187

8.6等离子体在真空中等温膨胀行为的定量研究189

8.6.1等温阶段等离子体速度演化特性研究189

8.6.2等温阶段等离子体的空间数密度分布特性研究190

8.7等离子体在真空中绝热膨胀行为的定量研究192

8.7.1绝热阶段等离子体速度演化特性研究193

8.7.2与实验结果的比较194

8.8本章小结195

参考文献196

第9章 薄膜生长过程研究199

9.1薄膜生长过程中的微观变化199

9.1.1气相粒子的吸附199

9.1.2薄膜的形成200

9.1.3表面活性剂对薄膜生长的影响201

9.2薄膜生长的理论研究概况202

9.2.1分子动力学203

9.2.2能量最小化204

9.3蒙特卡罗方法及其在薄膜生长研究中的应用204

9.4在薄膜生长中主要应用的MC模型206

9.4.1扩散限制聚集模型及其相关模型206

9.4.2考虑衬底温度的蒙特卡罗模型208

9.4.3动力学蒙特卡罗模型209

9.5薄膜生长初期的蒙特卡罗模型211

9.5.1连续式沉积与脉冲式沉积211

9.5.2 PLD薄膜生长的主要特征212

9.5.3 pulsed KMC模型的基本内容213

9.6基底温度对薄膜形貌的影响215

9.7粒子入射动能对薄膜形貌的影响220

9.7.1较低动能粒子沉积对薄膜生长的影响220

9.7.2能量粒子沉积的微观动力学过程223

9.7.3基底温度与入射动能的影响之比较226

9.8脉冲强度对PLD薄膜生长的影响228

9.8.1脉冲强度对PLD薄膜生长的形貌影响229

9.8.2脉冲强度变化时PLD薄膜生长的标度理论232

9.9脉冲频率对PLD薄膜生长的影响237

9.9.1脉冲频率对于薄膜生长的形貌影响237

9.9.2脉冲频率变化时PLD薄膜生长的标度理论240

参考文献242

第10章 相爆炸247

10.1激光烧蚀包含的基本热过程247

10.1.1激光烧蚀包含的基本热过程的分析247

10.1.2普通气化现象248

10.1.3正常沸腾现象250

10.2 PLD技术中的相爆炸现象253

10.2.1 PLD技术中的相爆炸253

10.2.2相爆炸的功率密度阈值253

10.2.3相爆炸发生的运动学限制条件254

10.2.4亚表面超热模型257

10.3相变与气相粒子行为的动力学理论260

10.3.1关于相变问题的研究260

10.3.2气相粒子行为的动力学理论263

参考文献266

第11章 超短强脉冲激光条件下的热动力学机制269

11.1超短强脉冲激光条件下的非傅里叶能量吸收269

11.1.1超短强激光作用下双温方程理论的发展269

11.1.2非傅里叶导热的物理图像271

11.2改进的双温方程及其应用272

11.2.1高能飞秒激光对靶材物性参数的影响273

11.2.2改进的双温方程275

11.2.3靶材电子和晶格亚系统随时间的演化规律277

11.3高能飞秒激光引起电子态密度变化的效应280

11.3.1态密度效应对靶材热物理参数的影响281

11.3.2态密度效应对靶材光物理参数的影响283

11.3.3考虑电子态密度效应的双温方程284

11.3.4靶材两个亚系统的温度随时间的演化规律285

11.3.5电声弛豫时间与激光能量密度的关系286

11.3.6超快熔化过程287

11.4从纳秒到飞秒的非傅里叶统一双温模型288

11.4.1统一双温模型289

11.4.2靶材损伤阈值与脉宽的关系290

11.4.3电子和晶格亚系统的温度随时间和位置的演化292

11.4.4蒸发阈值随脉宽的演化293

参考文献294

第12章 飞秒脉冲激光诱导靶材表面周期结构（FLIPSS）299

12.1飞秒激光与物质相互作用299

12.1.1飞秒激光技术299

12.1.2飞秒激光与物质相互作用的物理图像300

12.1.3飞秒激光与物质相互作用的特征302

12.1.4飞秒激光的应用简介304

12.2飞秒激光诱导材料表面周期性结构305

12.2.1飞秒激光诱导材料表面周期性结构研究进展305

12.2.2激光诱导材料表面周期性结构应用前景308

12.3飞秒脉冲激光诱导表面周期性结构的实验研究309

12.3.1实验装置及过程简介309

12.3.2实验过程311

12.3.3靶材表面烧蚀形貌ESEM表征312

12.4飞秒激光诱导金属表面周期性结构理论研究315

12.4.1飞秒激光与金属相互作用理论315

12.4.2飞秒激光诱导材料表面周期性结构的现有理论模型317

12.4.3现有理论面临的困难319

12.4.4表面周期性结构的形成条件319

12.4.5表面周期性结构的表现形式320

12.4.6 表面周期性结构的DEAX分析322

12.4.7激光入射角对表面周期性结构的影响323

12.5 FLIPSS能量阈值现象与能量累积效应研究325

12.5.1能量阈值现象325

12.5.2能量累积效应327

12.6本章小结332

参考文献333

第13章 超短强脉冲激光技术发展与应用337

13.1超短强脉冲激光在材料加工中的应用338

13.1.1飞秒微加工技术机理的研究概况338

13.1.2飞秒微加工技术在材料领域的应用概况340

13.2超短强激光诱导表面大面积规整纳米光栅周期结构342

13.2.1高密度纳米周期结构的规整化的新技术方案343

13.2.2高密度纳米周期结构的大面积化的实现348

13.2.3超短强激光诱导表面纳米光栅350

13.3飞秒激光在光通信领域中的应用353

13.3.1飞秒激光技术在光电器件微加工中的应用354

13.3.2光子晶体光纤飞秒技术的进展356

13.4飞秒激光在生物学领域中的应用358

参考文献364

附录A带再凝聚边界条件的Knudsen层特性370

附录B反射边界条件372

附录C马赫数M=1假设373

附录D钽铌酸钾薄膜材料374

D.1 KTN材料的结构与相变374

D.2 KTN材料的介电、铁电和电光性能376

D.3 KTN材料的制备377

后记394