上篇 脉冲激光沉积动力学第1章 薄膜材料与制备方法引论 3
1.1 薄膜材料的特点 3
1.2 常见的薄膜材料 4
1.2.1 结构薄膜材料 4
1.2.2 功能薄膜材料 6
1.3 铁电薄膜材料 9
1.3.1 铁电薄膜材料的结构、性能与应用 10
1.3.2 铁电薄膜制备 12
1.4 钽铌酸钾铁电薄膜材料 13
1.4.1 KTN材料的结构与相变 14
1.4.2 KTN材料的介电与铁电性能 15
1.4.3 KTN薄膜的制备、实验研究现状及发展趋势 16
1.5 常见的薄膜制备方法 21
1.5.1 真空蒸发沉积 22
1.5.2 分子束外延法 22
1.5.3 溶胶-凝胶法 23
1.6 溅射法 24
参考文献 26
第2章 薄膜的缺陷和界面的实验表征 32
2.1 薄膜的缺陷 32
2.1.1 点缺陷 32
2.1.2 线缺陷 34
2.2 薄膜的界面与薄膜间的相互扩散 37
2.2.1 薄膜与衬底间的界面 38
2.2.2 不同材料薄膜之间的界面 39
2.3 常见的实验表征方法 41
2.4 X射线衍射分析 43
2.5 扫描隧道显微镜 46
2.6 扫描近场光学显微镜 52
参考文献 55
第3章 脉冲激光沉积技术及其Z-L模型一般描述 60
3.1 PLD技术发展过程 60
3.2 PLD技术制备薄膜的实验工艺 63
3.3 PLD技术制备过程的一般描述 68
3.3.1 PLD技术的物理图像的一般描述 68
3.3.2 激光与靶材的相互作用 69
3.3.3 等离子体膨胀 72
3.3.4 衬底上沉积成膜 74
3.4 PLD技术的Z-L模型简介 74
3.4.1 脉冲激光烧蚀靶材过程的描述 75
3.4.2 等离子体的空间膨胀过程研究 77
3.4.3 薄膜沉积特性研究 78
3.4.4 等离子体冲击波模型 78
参考文献 80
第4章 激光烧蚀的基本模型与含热源项模型 84
4.1 激光烧蚀产生的烧蚀面的位置演化规律 85
4.1.1 烧蚀过程的基本物理图像 85
4.1.2 烧蚀面的位置演化规律 86
4.2 烧蚀方程的导热方程和定解条件 88
4.2.1 导热方程与定解条件 88
4.2.2 边界条件的非线性 89
4.2.3 积分法 90
4.3 液相区和固相区的温度演化规律 91
4.3.1 液相区温度演化规律 91
4.3.2 固相区温度演化规律 91
4.4 蒸发弛豫过程对烧蚀面的影响 95
4.4.1 激光烧蚀能量阈值、弛豫时间 96
4.4.2 烧蚀面位置的演化规律 96
4.5 含热源项的激光烧蚀导热理论模型 97
4.5.1 导热方程 97
4.5.2 熔融前的定解条件 97
4.5.3 熔融后的定解条件 98
4.6 靶材熔融前的温度分布演化规律 99
4.6.1 靶材熔融前温度分布的差分模拟研究 99
4.6.2 靶材熔融前温度随位置的分布规律 100
4.6.3 靶材熔融前温度随时间分布的演化规律 101
4.7 靶材熔融后的温度和界面演化规律 102
4.7.1 固液相的温度演化规律和固液相界面演化规律 102
4.7.2 硅靶材熔融后的温度分布模拟 103
参考文献 105
第5章 含蒸发项和热源项的以及靶材吸收率烧蚀模型 107
5.1 不同烧蚀阶段的含蒸发项的热传导问题 108
5.1.1 靶材熔融前导热方程和定解条件 108
5.1.2 靶材熔融后且脉冲持续阶段液相的导热方程 109
5.1.3 靶材熔融且脉冲结束后的液相导热方程 110
5.1.4 靶材融熔后固相的导热方程和有关定解条件的讨论 110
5.2 不同烧蚀阶段靶材温度演化及蒸发特性 111
5.2.1 熔融前固相温度分布演化规律 111
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 113
5.2.3 熔融后脉冲持续阶段的靶材固态部分温度演化 115
5.2.4 脉冲结束后靶材的温度分布及蒸发效应研究 116
5.3 激光烧蚀的动态吸收率 119
5.3.1 靶材动态吸收率定义式 120
5.3.2 激光表面吸收率随时间的变化关系 120
5.3.3 入射靶材的高斯形激光功率密度 121
5.4 激光烧蚀的导热方程及边界条件 121
5.4.1 包含动态吸收率的激光烧蚀导热方程 121
5.4.2 定解条件 122
5.4.3 靶材熔融前的差分方程 122
5.5 数值模拟及讨论 123
5.5.1 吸收率变化时硅靶材温度随时间的变化规律 123
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 125
5.5.3 钨靶材表面温度的演化规律 127
5.6 非傅里叶带热源项的热传导模型与烧蚀熔融前靶材温度演化规律 129
5.6.1 理论模型 129
5.6.2 一维双曲热传导方程的分析求解 132
5.6.3 模拟结果和讨论 133
5.7 等离子体屏蔽效应 137
5.7.1 模型 138
5.7.2 以YBa2Cu3O7为例计算并分析烧蚀过程中的一些变化规律 141
参考文献 144
第6章 等离子体的演化及冲击波规律研究 150
6.1 脉冲激光烧蚀产生的等离子体发射 150
6.1.1 电子发射 151
6.1.2 离子发射 152
6.1.3 中性粒子发射 152
6.2 等离子体的空间膨胀 152
6.2.1 等离子体的空间等温膨胀过程 153
6.2.2 等离子体的绝热膨胀过程 155
6.3 激光工作参数与沉积薄膜特性关系 156
6.3.1 薄膜厚度分布与激光功率密度的关系 157
6.3.2 薄膜厚度分布与激光波长的关系 158
6.3.3 KTN薄膜的组分特性与激光功率密度的关系 159
6.4 等离子体的速度及外形演化规律 160
6.4.1 等温膨胀阶段等离子体的速度演化规律模拟 160
6.4.2 绝热膨胀阶段等离子体的速度演化规律模拟 163
6.4.3 等离子体外形随时间的演化规律 164
6.5 有限爆炸时间的冲击波模型的建立 166
6.5.1 Sedov-Taylor瞬时点爆炸理论 166
6.5.2 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 167
6.5.3 脉冲激光等离子体冲击波传播特性的研究 168
6.5.4 脉冲激光等离子体冲击波能量特性的研究 169
6.5.5 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 170
6.5.6 脉冲激光等离子体冲击波波前速度演化特性研究 171
6.6 冲击波渐近行为的研究 172
6.6.1 高能脉冲激光等离子体冲击波的产生阶段（第一阶段） 172
6.6.2 高能脉冲激光等离子体冲击波的传播阶段（第二阶段） 173
6.6.3 自由参数的确定 174
6.6.4 等离子体冲击波在整个空间中传播的基本方程 175
6.6.5 冲击波最大马赫数Ma0与总能量E0的关系 176
6.6.6 冲击波传播过程中的衰减因子 176
参考文献 178
第7章 薄膜生长过程研究 181
7.1 薄膜生长过程中的微观变化 181
7.1.1 气相粒子的吸附 181
7.1.2 薄膜的形成 183
7.1.3 表面活性剂对薄膜生长的影响 184
7.2 薄膜生长理论研究概况 185
7.2.1 分子动力学 185
7.2.2 能量最小化 186
7.3 蒙特卡罗方法及其在薄膜生长研究中的应用 187
7.4 在薄膜生长中主要应用的蒙特卡罗模型 189
7.4.1 扩散限制聚集模型及其相关模型 189
7.4.2 考虑衬底温度的蒙特卡罗模型 191
7.4.3 动力学蒙特卡罗模型 192
7.5 薄膜生长初期的蒙特卡罗模型 193
7.5.1 基本物理过程 194
7.5.2 衬底表面生长点的确定 195
7.6 衬底温度与激光能量对生长岛变化的影响 195
7.6.1 衬底温度对岛生长形貌的影响 196
7.6.2 激光能量密度对薄膜生长的影响 197
参考文献 198
第8章 相爆炸和PLD技术机制研究最新进展 202
8.1 激光烧蚀包含的基本热过程 203
8.1.1 激光烧蚀包含的基本热过程的分析 203
8.1.2 普通汽化现象 203
8.1.3 正常沸腾现象 205
8.2 PLD技术中的相爆炸现象 209
8.2.1 PLD技术中的相爆炸 209
8.2.2 相爆炸的功率密度阈值 209
8.2.3 相爆炸发生的运动学限制条件 210
8.2.4 亚表面超热模型 213
8.3 PLD技术机制研究的若干最新进展 215
8.3.1 关于相变问题的研究 216
8.3.2 气相粒子行为的动力学理论 218
参考文献 222
附录A 带再凝聚边界条件的Knudsen层特性 226
附录B 反射边界条件 227
附录C 马赫数假设 227
附录D 有关工程热物理的几个物理概念 228
下篇 玻璃基薄膜 233
第9章 TiO2薄膜光催化自洁净玻璃的溶胶-凝胶技术制备研究 233
9.1 TiO2薄膜光催化自洁净玻璃的研究背景 234
9.1.1 半导体TiO2的光催化作用原理 234
9.1.2 增强TiO2光催化剂活性的方法 235
9.1.3 半导体TiO2光催化剂的其他应用 237
9.1.4 半导体TiO2薄膜在自洁净玻璃中的应用原理 240
9.2 玻璃表面TiO2薄膜的溶胶-凝胶技术制备 242
9.2.1 溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜的原理与工艺 242
9.2.2 溶胶-凝胶法TiO2薄膜的表面结构 244
9.2.3 溶胶-凝胶法TiO2薄膜的化学组成 246
9.2.4 TiO2薄膜的光催化活性研究 248
9.3 玻璃表面TiO2薄膜光催化活性的增强 251
9.3.1 钠离子对TiO2薄膜光催化活性的危害及其消除方法 251
9.3.2 纳米薄膜的多孔化增强光催化活性 253
9.4 玻璃表面TiO2多孔薄膜的光致超亲水性 257
9.4.1 表面粗糙度对润湿角影响的理论分析 257
9.4.2 多孔TiO2薄膜的亲水性 258
9.5 TiO2/SiO2复合薄膜的光催化活性和光致超亲水性 260
参考文献 261
第10章 TiO2薄膜的磁控溅射法制备 267
10.1 等离子体溅射镀膜方法 267
10.1.1 等离子体溅射镀膜基本原理 267
10.1.2 常用溅射方式 268
10.1.3 玻璃基等离子体溅射镀膜的特点 270
10.2 玻璃基TiO2薄膜的溅射制备 271
10.2.1 氧气分压和离线热处理温度对TiO2薄膜结构的影响 271
10.2.2 基片温度对TiO2薄膜结构的影响 276
10.2.3 镀膜试样的荧光发射光谱 278
10.2.4 镀膜试样表面组成的离子状态 280
10.2.5 TiO2薄膜的表面形貌 282
10.2.6 TiO2镀膜玻璃试样的光学性能 286
10.3 TiO2镀膜玻璃的光催化性能 290
10.3.1 TiO2薄膜的润湿角测试 290
10.3.2 TiO2薄膜结构与亲水性关系 293
10.3.3 玻璃基TiO2薄膜光催化降解有机物性能 294
10.4 本章小结 296
参考文献 297
第11章 玻璃基TiO2/TiN/TiO2多层膜的溅射制备 300
11.1 TiN薄膜反射红外线的原理 300
11.2 氮气分压对TiNx薄膜结构的影响 302
11.2.1 TiN薄膜的表面组成 302
11.2.2 TiN的物相结构 302
11.2.3 TiN薄膜的表面形貌 303
11.2.4 TiN薄膜的化学组成和离子状态 305
11.2.5 TiN薄膜的电性能分析 307
11.2.6 玻璃基TiN镀膜试样的可见光谱 308
11.3 玻璃基TiO2/TiN/TiO2多层膜的结构和性能表征 310
11.3.1 样品制备 310
11.3.2 多层膜的表面组成和形貌 311
11.3.3 多层膜试样的光谱性能分析 312
11.3.4 多层膜试样的节能指标分析 313
11.3.5 多层膜试样的水润湿性能 314
11.3.6 多层膜镀膜样品光催化性能 315
11.3.7 镀膜样品某些理化性能测试 315
参考文献 316
第12章 石英玻璃毛细管内高反射薄膜的制备 318
12.1 高反射薄膜与CO2激光传输空芯光纤 318
12.1.1 CO2激光的原理 318
12.1.2 传输CO2激光的空芯光纤的研究现状 320
12.2 高反射薄膜空芯光纤的结构设计 322
12.2.1 空芯光纤的主要结构类型 322
12.2.2 高反射膜空芯光纤的结构设计 323
12.3 高反射薄膜空芯光纤的制备 325
12.3.1 金属薄膜制备 325
12.3.2 高分子COP膜涂层金属薄膜制备及性能 330
参考文献 334
第13章 全反射与全反射薄膜空芯光纤 337
13.1 全反射薄膜空芯光纤的理论基础 337
13.1.1 材料的反常色散与复折射率 337
13.1.2 全反射空芯光纤的结构和光传输原理 341
13.1.3 材料复折射率的计算模型 342
13.1.4 空芯波导的理论损耗计算模型 346
13.1.5 全反射空芯波导的附加损耗计算模型 346
13.2 可用于全反射空芯波导的主要材料 347
参考文献 349
第14章 毛细管内薄膜制备技术的研究 352
14.1 毛细管内溶胶-凝胶镀膜 352
14.1.1 毛细管内溶胶-凝胶涂层的制备 353
14.1.2 毛细管内溶胶-凝胶涂层的转化 355
14.1.3 毛细管内凝胶涂层的热处理 356
14.2 溶胶-凝胶薄膜累积厚度预测新方法 357
14.2.1 影响薄膜厚度的因素 358
14.2.2 薄膜厚度预测新方法的建立 362
参考文献 366
第15章 致密氧化铝薄膜全反射空芯光纤的研究 369
15.1 Kozodoy和Harrington的研究 369
15.2 溶胶-凝胶法制备致密Al2O3薄膜的制备研究 371
15.2.1 Al2O3溶胶的凝聚法制备及其薄膜的性能 371
15.2.2 Al2O3溶胶的分散法制备及其薄膜的性能 379
15.3 分散法制备Al2O3溶胶的改性及其致密厚膜的制备 385
15.3.1 改性氧化铝溶胶的合成工艺 386
15.3.2 分散法氧化铝溶胶的EAcAc改性机制 387
15.3.3 改性氧化铝溶胶制备致密氧化铝薄膜 389
15.3.4 氧化铝溶胶-凝胶涂层的开裂机制与临界厚度 391
15.4 无开裂氧化铝致密厚膜的制备 393
15.4.1 PVP改性氧化铝溶胶的制备 394
15.4.2 PVP与氧化铝溶胶的作用机制 396
15.4.3 PVP改性铝溶胶的表面张力和热失重对凝胶抗开裂的影响 400
15.5 氧化铝厚膜的全反射性能及空芯光纤光衰减性能分析 406
参考文献 408
第16章 GeO2基全反射薄膜空芯光纤的制备研究 412
16.1 全反射SiO2-TiO2-GeO2非晶态薄膜制备及其性能 412
16.1.1 锗基氧化物溶胶的合成 413
16.1.2 石英玻璃毛细管内SiO2-TiO2-GeO2非晶态薄膜的制备 415
16.1.3 毛细管内SiO2-TiO2-GeO2溶胶涂层的结构分析 415
16.1.4 SiO2-TiO2-GeO2涂层空芯光纤的性能分析 424
16.2 全反射SiO2-GeO2非晶态薄膜制备及其性能 425
16.2.1 溶胶的制备 425
16.2.2 双羰基化合物改性氧化锗溶胶的合成 428
16.2.3 由TEOG和TEOS制备锗硅溶胶 429
16.2.4 由TEOG和二甲基硅氧烷制备锗硅溶胶 431
16.2.5 GeO2-SiO2薄膜的反常色散及空芯光纤性能 437
参考文献 438
跋 441
后记 443