激光诱导材料靶上合成及其表面微结构的研究

摘要

随着科技与经济的发展，众多领域对材料性能的要求越来越高，急需新型材料与功能微结构的开发与利用，因此探索制备新材料及功能微结构就显得尤为重要。激光与物质相互作用在靶表面或内部产生热学和力学效应，可以用于材料改性，合成新型材料和结构，加深对已知材料的深层理解。研究激光与物质的相互作用对扩展激光应用领域，促进基础理论研究以及探寻合成材料的新方法都具有重要意义。与通常脉冲激光烧蚀方法用于沉积薄膜和微加工不同，本文提出利用脉冲激光烧蚀固体靶，研究靶上激光诱导合成材料和表面微结构。本文以激光诱导材料靶上合成与表面微结构为研究对象，在材料合成、激光参数对材料合成与微结构形成的影响进行了实验和理论研究。
　　利用长脉冲微秒激光和短脉冲飞秒激光分别作用2Al2O3+Tb4O7固体靶，研究不同脉冲宽度激光对合成的影响。研究结果表明利用微秒激光合成出了TbAlO3化合物，并且合成产物中Tb离子的价态发生了变化，部分Tb4+离子转变为Tb3+离子；而利用飞秒激光辐照后，靶表面材料仍然是原材料；在合成TbAlO3的过程中，长脉冲激光诱导的热效应起着关键作用；在飞秒辐照中热效应可以忽略，激光诱导的反冲压强等动态条件无法使材料达到相稳定，因而没有TbAlO3合成。同时利用非聚焦纳秒激光合成出了EuFeO3，研究了激光辐照时间与合成产量的关系，结果表明激光辐照60s后作用区域物质合成基本完成。以上实验结果验证了激光靶上合成物质的可行性。
　　利用纳秒激光辐照放置在去离子水中的4CeO2+Tb4O7固体靶，研究了脉冲激光强度对合成产物的影响。研究结果表明在靶表面合成了具有萤石结构的CeTbO3+δ固溶体；激光强度不同会对合成物产量造成影响，随着激光强度的增加，合成产量随之增加，当激光强度增加到本实验的最大值1.8×1012W/cm2时，CeTbO3+δ相对含量的增加曲线趋于平缓。因而我们认为存在最优化激光参数使得合成产物的量达到最大。
　　利用飞秒激光在空气中辐照4CeO2+Tb4O7固体靶，研究了靶上物质合成和微结构制备。研究结果表明，采用飞秒激光合成出了立方萤石结构的CeTbO3+δ固溶体，合成产物分布比较均匀；靶表面沉积一层纳米泡沫结构（颗粒尺寸10nm）和球形颗粒（尺寸范围20～300nm），我们对微结构的形成机制进行了研究；该纳米泡沫有较大的比表面积和未成对悬挂键，使得表面的吸附能力增强。
　　利用纳秒激光辐照单质材料碳和硅，研究激光制备纳米泡沫结构的条件和机制。通过改变入射激光强度研究了表面微结构的形成以及与激光强度之间的关系；分析认为是由于激光强度不同造成电离度、等离子体温度以及团簇的改变，从而导致不同微结构的形成，而且纳米泡沫的形成需要高于一定的激光阈值；激光辐照后碳靶表面呈现出深黑色，碳纳米泡沫属于无定形碳，该微结构有利于提高材料的光学吸收系数，可以用于制备消光器件。分析认为在适当的实验条件下可以在其他材料上获得类似纳米泡沫结构，激光诱导纳米泡沫结构具有普遍性。
　　通过脉冲激光辐照固体靶的研究，证明了激光诱导靶上材料合成的可行性，研究了不同激光参数对合成和微结构形成的影响，以及相关物理机制。利用激光进行物质合成以及制备得到新颖的微结构，无论对基础研究还是应用研究都具有重要价值。

目录

激光诱导材料靶上合成及其表面微结构的研究

MATERIAL SYNTHESIS ANDMICROSTRUCTURE FORMATION ONTARGET INDUCED BY LASERIRRADIATION

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的重要意义

1.2 物质合成方法概述及国内外研究现状

1.2.1 物质合成方法

1.2.2 激光与物质相互作用研究现状

1.3 激光烧蚀材料的选择及样品表征

1.3.1 稀土氧化物

1.3.2 单质材料碳和硅

1.3.3 样品表征方法

1.4 课题来源及研究的目的、意义

1.5 本课题的主要研究内容

第2章 激光与物质相互作用的物理机制

2.1 等离子体

2.1.1 电离机制

2.1.2 激光场中的电子运动

2.1.3 等离子体屏蔽

2.2 激光作用物质的热效应

2.2.1 热传导方程

2.3 激光作用物质的力学效应

2.3.1 激光诱导等离子体冲击波的形成

2.3.2 激光烧蚀在靶表面形成的压强

2.3.3 激光烧蚀靶材的喷溅机制

2.4 本章小结

第3章 微秒、纳秒激光合成TbAlO3 和EuFeO3

3.1 引言

3.2 微秒脉冲激光合成TbAlO3

3.2.1 激光合成实验

3.2.2 XRD 测试结果与分析

3.2.3 XPS 测试结果与分析

3.2.4 SEM 测试结构与分析

3.2.5 微秒激光合成TbAlO3 的物理机制

3.3 非聚焦脉冲激光合成EuFeO3

3.3.1 激光合成实验

3.3.2 XRD 测试结果与分析

3.3.3 SEM 测试结果与分析

3.4 本章小结

第4章 纳秒、飞秒激光合成CeTbO3+δ

4.1 引言

4.2 纳秒激光液相合成及激光强度对合成的影响

4.2.1 实验设计

4.2.2 XRD 测试结果与讨论

4.2.3 XPS 测试结果与分析

4.2.4 激光强度对合成量的影响

4.3 飞秒激光合成具有纳米泡沫结构CeTbO3+δ

4.3.1 激光合成实验

4.3.2 XRD 测试结果与分析

4.3.3 XPS 测试结果与分析

4.3.4 SEM 与TEM 测试结果与分析

4.3.5 微观结构形成机制研究

4.4 本章小结

第5章 纳秒脉冲激光表面诱导微结构

5.1 引言

5.2 激光诱导碳纳米泡沫结构

5.2.1 实验设计

5.2.2 Raman 谱测试结果与分析

5.2.3 SEM 测试结果

5.2.4 TEM 测试结果

5.2.5 微结构形成机制的研究分析

5.2.6 碳纳米泡沫吸光性质测量

5.3 激光强度对微结构形成的影响

5.3.1 实验参数选择

5.3.2 Raman 测试结果

5.3.3 表面形貌测试结果

5.3.4 微结构形成机制

5.4 激光诱导硅纳米结构

5.4.1 样品处理与实验参数

5.4.2 不同激光参数对微结构形成的影响

5.4.3 样品红外光谱（FT-IR）测试结果

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历