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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