本书对现代材料先进制备技术——脉冲激光沉积技术的机理，进行了深入、系统的讨论，是国际上第一本全面阐述脉冲激光沉积动力学的专著，内容取材于作者多年的科研结晶。本书介绍作者提出的能自洽描述全沉积过程的统一动力学模型，并逐一研究各工艺阶段的热动力学的规律，详尽地阐述有关的最新研究成果：基于局域守恒定律的等离子体的新演化模型，羽辉演化的近场、中场和原场行为的研究，包含热源项、蒸发项、吸收率动态变化和非傅里叶效应的综合烧蚀模型，薄膜的蒙特卡罗研究和若干标度规律的发现、修正和综合双温模型等。本书的飞秒激光动力学研究，其应用范围涉及微纳加工、光电、生物、信息和化学工程等，因而本书具有很强的科学性、原创性和实践性。
本书可作为材料科学、物理学以及相关专业的研究生教材，也可供从事飞秒激光技术研究和应用的科研工作者参考。
样章试读
目录
- 前言
第1章 薄膜材料与制备方法引论
1.1 薄膜材料的特点
1.2 常见的薄膜材料
1.2.1 结构薄膜材料
1.2.2 功能薄膜材料
1.3 常见的薄膜制备方法
1.3.1 真空蒸发沉积
1.3.2 分子束外延法
1.3.3 溶胶-凝胶法
1.3.4 溅射法
参考文献
第2章 薄膜的缺陷、界面与表征
2.1 薄膜的缺陷
2.1.1 点缺陷
2.1.2 线缺陷
2.2 薄膜的界面与薄膜间的相互扩散
2.2.1 薄膜与衬底间的界面
2.2.2 不同材料薄膜之间的界面
2.3 薄膜材料的表征
2.4 X射线衍射分析
2.5 扫描隧道显微镜
2.6 扫描近场光学显微镜
参考文献
第3章 PLD技术及其Z-L模型一般描述
3.1 PLD发展过程
3.2 PLD技术制备薄膜的实验工艺
3.3 PLD制备过程的一般描述
3.3.1 PLD技术的物理图像的一般描述
3.3.2 激光与靶材的相互作用
3.3.3 等离子体膨胀
3.3.4 衬底上沉积成膜
3.4 PLD的Z-L模型简介
3.4.1 脉冲激光烧蚀靶材过程的描述
3.4.2 等离子体的空间膨胀过程研究
3.4.3 薄膜沉积特性研究
3.4.4 等离子体冲击波模型
参考文献
第4章 激光烧蚀的基本模型与含热源项模型
4.1 激光烧蚀产生的烧蚀面的位置演化规律
4.1.1 烧蚀过程的基本物理图像
4.1.2 烧蚀面的位置演化规律
4.2 烧蚀方程的导热方程和定解条件
4.2.1 导热方程与定解条件
4.2.2 边界条件的非线型性
4.2.3 积分法
4.3 液相区和固相区的温度演化规律
4.3.1 液相区的温度演化规律
4.3.2 固相温度演化规律
4.4 蒸发弛豫过程对烧蚀面的影响
4.4.1 激光烧蚀能量阈值、弛豫时间
4.4.2 烧蚀面位置的演化规律
4.5 含热源项的激光烧蚀导热理论模型
4.5.1 导热方程
4.5.2 熔融前的定解条件
4.5.3 熔融后的定解条件
4.6 靶材熔融前的温度分布演化规律
4.6.1 靶材熔融前温度分布的差分模拟研究
4.6.2 靶材在熔融前温度随位置的分布规律
4.6.3 靶材熔融前温度分布的演化规律
4.7 靶材熔融后的温度和界面演化规律
4.7.1 固液相的温度演化规律和固液界面演化规律
4.7.2 硅靶材熔融后的温度分布模拟
参考文献
第5章 含蒸发项、热源项和靶材吸收率的烧蚀模型
5.1 不同烧蚀阶段的含蒸发项的热传导问题
5.1.1 靶材熔融前导热方程和定解条件
5.1.2 靶材熔融后且脉冲持续阶段液相的导热方程
5.1.3 靶材熔融且脉冲结束后的液相导热方程
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
5.2 不同烧蚀阶段靶材温度演化及蒸发特性
5.2.1 熔融前固相温度分布演化规律
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
5.2.3 熔融后脉冲持续阶段的靶材固态部分温度演化
5.2.4 脉冲结束后靶材的温度分布及蒸发效应研究
5.3 激光烧蚀的动态吸收率
5.3.1 靶材动态吸收率定义式
5.3.2 激光表面吸收率随时间的变化关系
5.3.3 入射靶材的高斯型激光功率密度
5.4 激光烧蚀的导热方程及边界条件
5.4.1 包含动态吸收率的激光烧蚀导热方程
5.4.2 定解条件
5.4.3 靶材熔融前的差分方程
5.5 数值模拟及讨论
5.5.1 吸收率变化时硅靶材温度随时间的变化规律
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
5.5.3 钨靶材表面温度的演化规律
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
5.6.1 理论模型
5.6.2 一维双曲热传导方程的分析求解
5.6.3 模拟结果和讨论
5.7 等离子体屏蔽效应
5.7.1 模型
5.7.2 以YBa_2Cu_3O_7为例计算并分析烧蚀过程中的一些变化规律
参考文献
第6章 高能激光烧蚀靶材动力学的新探索
6.1 紫外纳秒PLA的改进热动力学模型
6.1.1 靶材熔蚀前导热方程和定解条件
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
6.2 纳秒脉冲激光烧蚀的物理图像
6.3 烧蚀过程中动态吸收率
6.4 关于蒸发效应和等离子体屏蔽效应
6.5 改进模型的数值模拟研究
6.5.1 紫外激光辐照下铁靶材温度的三维变化图
6.5.2 三种热传导模型下的靶材温度演化分布规律比较
6.5.3 烧蚀深度随激光能量密度的演化规律
6.6 多组分靶材氧化物超导体的烧蚀研究
6.6.1 多组分靶材等离子体屏蔽效应
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
6.7 靶材表面的蒸发现象和等离子体屏蔽
6.7.1 靶材表面的蒸发现象
6.7.2 等离子体屏蔽效应
参考文献
第7章 等离子体的演化及冲击波规律研究
7.1 脉冲激光烧蚀产生的等离子体发射
7.1.1 电子发射
7.1.2 离子发射
7.1.3 中性粒子发射
7.2 等离子体的空间膨胀
7.2.1 等离子体的空间等温膨胀过程
7.2.2 等离子体的绝热膨胀过程
7.3 激光工作参数与沉积薄膜特性关系
7.3.1 薄膜厚度分布与激光功率密度的关系
7.3.2 薄膜厚度分布与激光波长的关系
7.3.3 KTN薄膜的组分特性与激光功率密度的关系
7.4 等离子体的速度及外形演化规律
7.4.1 等温膨胀阶段等离子体的速度演化规律模拟
7.4.2 绝热膨胀阶段等离子体速度演化规律模拟
7.4.3 等离子体外形随时间的演化规律
7.5 有限爆炸时间的冲击波模型的建立
7.5.1 Sedov-Taylor瞬间点爆炸理论
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
7.5.3 脉冲激光等离子体冲击波的传播特性的研究
7.5.4 脉冲激光等离子体冲击波能量特性的研究
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
7.5.6 脉冲激光等离子体冲击波波前速度演化特性研究
7.6 冲击波的渐近行为的研究
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)
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)
7.6.3 自由参数的确定
7.6.4 等离子体冲击波在整个空间中传播的基本方程
7.6.5 冲击波最大马赫数M_0与总能量E_0的关系
7.6.6 冲击波传播过程中的衰减因子
参考文献
第8章 等离子体演化动力学的新探索
8.1 等离子体演化中的物理图像
8.1.1 物理图像
8.1.2 一维动力源模型
8.2 新的等离子体膨胀动力学模型
8.2.1 考虑等离子体动力源时数密度的计算
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
8.2.3 新的等离子体膨胀动力学方程
8.3 等离子体动力学方程组的约化
8.3.1 等温膨胀阶段中动力学方程组的约化
8.3.2 等离子体绝热阶段动力学方程的约化
8.4 等离子体的动力学特性的定性分析
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
8.6 等离子体在真空中等温膨胀行为的定量研究
8.6.1 等温阶段等离子体速度演化特性研究
8.6.2 等温阶段等离子体的空间数密度分布特性研究
8.7 等离子体在真空中绝热膨胀行为的定量研究
8.7.1 绝热阶段等离子体速度演化特性研究
8.7.2 与实验结果的比较
8.8 本章小结
参考文献
第9章 薄膜生长过程研究
9.1 薄膜生长过程中的微观变化
9.1.1 气相粒子的吸附
9.1.2 薄膜的形成
9.1.3 表面活性剂对薄膜生长的影响
9.2 薄膜生长的理论研究概况
9.2.1 分子动力学
9.2.2 能量最小化
9.3 蒙特卡罗方法及其在薄膜生长研究中的应用
9.4 在薄膜生长中主要应用的MC模型
9.4.1 扩散限制聚集模型及其相关模型
9.4.2 考虑衬底温度的蒙特卡罗模型
9.4.3 动力学蒙特卡罗模型
9.5 薄膜生长初期的蒙特卡罗模型
9.5.1 连续式沉积与脉冲式沉积
9.5.2 PLD薄膜生长的主要特征
9.5.3 pulsed KMC模型的基本内容
9.6 基底温度对薄膜形貌的影响
9.7 粒子入射动能对薄膜形貌的影响
9.7.1 较低动能粒子沉积对薄膜生长的影响
9.7.2 能量粒子沉积的微观动力学过程
9.7.3 基底温度与入射动能的影响之比较
9.8 脉冲强度对PLD薄膜生长的影响
9.8.1 脉冲强度对PLD薄膜生长的形貌影响
9.8.2 脉冲强度变化时PLD薄膜生长的标度理论
9.9 脉冲频率对PLD薄膜生长的影响
9.9.1 脉冲频率对于薄膜生长的形貌影响
9.9.2 脉冲频率变化时PLD薄膜生长的标度理论
参考文献
第10章 相爆炸
10.1 激光烧蚀包含的基本热过程
10.1.1 激光烧蚀包含的基本热过程的分析
10.1.2 普通气化现象
10.1.3 正常沸腾现象
10.2 PLD技术中的相爆炸现象
10.2.1 PLD技术中的相爆炸
10.2.2 相爆炸的功率密度阈值
10.2.3 相爆炸发生的运动学限制条件
10.2.4 亚表面超热模型
10.3 相变与气相粒子行为的动力学理论
10.3.1 关于相变问题的研究
10.3.2 气相粒子行为的动力学理论
参考文献
第11章 超短强脉冲激光条件下的热动力学机制
11.1 超短强脉冲激光条件下的非傅里叶能量吸收
11.1.1 超短强激光作用下双温方程理论的发展
11.1.2 非傅里叶导热的物理图像
11.2 改进的双温方程及其应用
11.2.1 高能飞秒激光对靶材物性参数的影响
11.2.2 改进的双温方程
11.2.3 靶材电子和晶格亚系统随时间的演化规律
11.3 高能飞秒激光引起电子态密度变化的效应
11.3.1 态密度效应对靶材热物理参数的影响
11.3.2 态密度效应对靶材光物理参数的影响
11.3.3 考虑电子态密度效应的双温方程
11.3.4 靶材两个亚系统的温度随时间的演化规律
11.3.5 电声弛豫时间与激光能量密度的关系
11.3.6 超快熔化过程
11.4 从纳秒到飞秒的非傅里叶统一双温模型
11.4.1 统一双温模型
11.4.2 靶材损伤阈值与脉宽的关系
11.4.3 电子和晶格亚系统的温度随时间和位置的演化
11.4.4 蒸发阈值随脉宽的演化
参考文献
第12章 飞秒脉冲激光诱导靶材表面周期结构(FLIPSS)
12.1 飞秒激光与物质相互作用
12.1.1 飞秒激光技术
12.1.2 飞秒激光与物质相互作用的物理图像
12.1.3 飞秒激光与物质相互作用的特征
12.1.4 飞秒激光的应用简介
12.2 飞秒激光诱导材料表面周期性结构
12.2.1 飞秒激光诱导材料表面周期性结构研究进展
12.2.2 激光诱导材料表面周期性结构应用前景
12.3 飞秒脉冲激光诱导表面周期性结构的实验研究
12.3.1 实验装置及过程简介
12.3.2 实验过程
12.3.3 靶材表面烧蚀形貌ESEM表征
12.4 飞秒激光诱导金属表面周期性结构理论研究
12.4.1 飞秒激光与金属相互作用理论
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
12.4.3 现有理论面临的困难
12.4.4 表面周期性结构的形成条件
12.4.5 表面周期性结构的表现形式
12.4.6 表面周期性结构的DEAX分析
12.4.7 激光入射角对表面周期性结构的影响
12.5 FLIPSS能量阈值现象与能量累积效应研究
12.5.1 能量阈值现象
12.5.2 能量累积效应
12.6 本章小结
参考文献
第13章 超短强脉冲激光技术发展与应用
13.1 超短强脉冲激光在材料加工中的应用
13.1.1 飞秒微加工技术机理的研究概况
13.1.2 飞秒微加工技术在材料领域的应用概况
13.2 超短强激光诱导表面大面积规整纳米光栅周期结构
13.2.1 高密度纳米周期结构的规整化的新技术方案
13.2.2 高密度纳米周期结构的大面积化的实现
13.2.3 超短强激光诱导表面纳米光栅
13.3 飞秒激光在光通信领域中的应用
13.3.1 飞秒激光技术在光电器件微加工中的应用
13.3.2 光子晶体光纤飞秒技术的进展
13.4 飞秒激光在生物学领域中的应用
参考文献
附录A 带再凝聚边界条件的Knudsen层特性
附录B 反射边界条件
附录C 马赫数M=1假设
附录D 钽铌酸钾薄膜材料
D.1 KTN材料的结构与相变
D.2 KTN材料的介电、铁电和电光性能
D.3 KTN材料的制备
后记
京公网安备 11010102004214号