论文部分内容阅读
本文采用脉冲激光烧蚀技术，结合流体动力学模型和成核区模型，实验研究了环境气压和平行挡板对烧蚀粒子与环境气体原子碰撞、成核、传输等微观过程的影响，分析确定不同气压和挡板位置条件下纳米晶粒成核区的位置和范围。通过测量烧蚀粒子的电流响应方法对激光烧蚀粒子的带电特性进行系统的研究，揭示激光烧蚀过程中成核动力学的机理，探求影响纳米晶粒成核尺寸大小的关键因素。本工作的开展将有助于对激光烧蚀动力学过程中纳米晶粒成核机理的深层次理解以及高质量尺寸可控的纳米晶粒的制备。主要研究成果如下：1、在1~200Pa的Ar气环境下，采用脉冲激光烧蚀高阻抗单晶Si靶，在距离烧蚀点正下方2.0cm处水平放置一系列单晶Si或玻璃衬底，沉积制备纳米Si薄膜，研究环境气压的变化对纳米Si晶粒成核区范围的影响。结果表明，随着环境气压的升高，纳米Si晶粒成核区的范围开始增大，到气压为50Pa时达到最大值3.63cm，继续提高气压，成核区的范围有开始缓慢减小。2、在10Pa的Ar气环境气氛中，在远离靶平面位置处垂直放置挡板，而在羽辉下方平行于羽辉方向放置衬底沉积纳米Si晶薄膜，实验研究挡板位置的变化对激光烧蚀制备纳米Si晶粒成核区特征参数（成核区的范围、宽度等）的影响。结果表明，随着挡板距离的增加，纳米晶粒成核区的范围逐渐减小，挡板在距靶3cm时放置时纳米晶粒成核区达到最小值为2.78cm。在不加挡板时纳米晶粒成核区宽度值最大。3、为了得到近似水平方向运动的烧蚀粒子，在靶与衬底之间放置一个中心开孔的挡板，通过改变挡板上孔径的尺寸，定量研究孔径尺寸对激光烧蚀沉积纳米Si晶粒产量及其分布的影响。得到了随着孔径尺寸的增大纳米晶粒的平均尺寸逐渐减小，而纳米晶粒的数量的与小孔直径的1.5次方成正比。4、在以上研究的基础上，通过测量烧蚀粒子的电流响应方法对不同气压下激光烧蚀粒子的带电特性进行系统的研究。结果表明，烧蚀粒子中硅离子的浓度随着气压的增加呈现先增大后减小趋势，在气压为3Pa时硅离子浓度达到最大值；纳米硅晶粒带有正电荷，在气压为8Pa条件下生成纳米硅晶粒的数量最多。另外，利用此方法对硅离子的速度和阻尼系数进行了研究，给出了它们与环境气压之间的非线变化关系。