超短脈沖激光燒蝕金屬鋁和高定向熱解石墨產(chǎn)物的分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超短脈沖激光燒蝕是現(xiàn)代微加工和納米顆粒制備領(lǐng)域中極有前景的先進(jìn)技術(shù)之一。因此，近年來激光燒蝕中極端物理過程的基礎(chǔ)研究變得尤為重要。分子動(dòng)力學(xué)模擬正是研究這一過程的重要方法。不同參數(shù)的激光脈沖和燒蝕環(huán)境會(huì)燒蝕產(chǎn)生不同性質(zhì)的納米顆粒，這方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究可以幫助人們依據(jù)需求有效地制備不同特性的納米顆粒。超短脈沖激光燒蝕碳材料研究也是其中一個(gè)令人十分感興趣的課題，可以制備新型結(jié)構(gòu)碳材料。本論文對(duì)超短脈沖激光燒蝕金屬鋁的超快物理過程和產(chǎn)生納米

2、金屬顆粒的性質(zhì)進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)超短脈沖激光燒蝕高定向熱解石墨產(chǎn)生碳膜的性質(zhì)進(jìn)行了較深入的實(shí)驗(yàn)研究。論文主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.介紹了超短脈沖激光燒蝕金屬鋁靶和高定向熱解石墨的物理機(jī)制及其燒蝕產(chǎn)物的熱動(dòng)力學(xué)演化過程。對(duì)近年來國內(nèi)外分子動(dòng)力學(xué)模擬和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作進(jìn)行了概述和總結(jié)。其中發(fā)現(xiàn)，通常在氣體環(huán)境中燒蝕金屬時(shí)，會(huì)伴隨有氣體激波的產(chǎn)生，對(duì)激波的熱動(dòng)力學(xué)過程和對(duì)噴射物納米顆粒的影響人們還研究得較少。因此，

3、對(duì)此問題進(jìn)行深入研究具有顯著的科學(xué)探索意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬這一工具，本文闡述了分子動(dòng)力學(xué)模擬的原理、算法、數(shù)據(jù)處理和主要應(yīng)用范圍。針對(duì)本文感興趣的超短脈沖激光燒蝕金屬這一課題，詳細(xì)介紹了應(yīng)用于超短脈沖激光燒蝕的雙溫模型、分子動(dòng)力學(xué)模型模擬。
　　2.進(jìn)行了超短脈沖激光氬氣環(huán)境燒蝕金屬鋁的分子動(dòng)力學(xué)模擬。采用組合連接短程和長程兩種勢能函數(shù)的方法，得到了Ar-Al相互作用的勢能函數(shù)。并利用該相互作用勢給出了相應(yīng)大尺

4、度氬氣環(huán)境下飛秒激光燒蝕金屬鋁的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果。獲得了0～600ps燒蝕動(dòng)態(tài)圖像和此過程中鋁噴射物和氬氣激波的熱動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。對(duì)氣體環(huán)境燒蝕的產(chǎn)物進(jìn)行了團(tuán)簇分析，得到了燒蝕產(chǎn)物中不同大小納米顆粒的分布情況和熱動(dòng)力學(xué)變化情況。氣體激波的存在不僅阻礙了噴射物向前噴射，升高了噴射物的溫度，而且改變了出射納米顆粒的大小分布，造成了燒蝕噴射物熱力學(xué)性質(zhì)和整體分布形貌的改變。
　　3.搭建了50fs激光脈沖燒蝕金屬鋁靶的實(shí)驗(yàn)裝置，分別在

5、真空和一個(gè)大氣壓氬氣環(huán)境下使用云母片接收燒蝕產(chǎn)生的鋁金屬納米顆粒，使用光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡觀察了燒蝕產(chǎn)物，對(duì)顆粒大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，使用拉曼光譜儀測量燒蝕產(chǎn)物的拉曼光譜。研究發(fā)現(xiàn)，在相位爆炸閾值附近，飛秒激光燒蝕產(chǎn)生的納米顆粒主要來自燒蝕導(dǎo)致的熱應(yīng)力釋放機(jī)械機(jī)制，大小平均值在10～30nm。大氣環(huán)境中燒蝕得到了大小分布相對(duì)更集中的顆粒產(chǎn)物。真空環(huán)境下得到的納米顆粒呈不規(guī)則的尖錐形碎片狀，而大氣環(huán)境下燒蝕得到的納米顆粒呈扁圓形半球狀。本文

6、認(rèn)為大氣環(huán)境中燒蝕噴射物與氣體激波的相互作用升高了噴射物的溫度，噴射物經(jīng)歷的高溫過程改變了納米顆粒的形貌。
　　4.使用脈寬50fs、4ps，能流密度為68J/cm2、34J/cm2的激光脈沖在真空中燒蝕高定向熱解石墨(HOPG)，得到沉積在單晶硅片上的類金剛石(Diamond like carbon，DLC)碳膜。不同位置的碳膜厚度和碳膜成分通過光學(xué)顯微鏡和拉曼光譜儀進(jìn)行估計(jì)和測量。并使用Breit-Wigner-Fano(BW

7、F)G峰+Lorentzian D峰、雙高斯分峰和雙衰減諧振子三種分峰方法，分析得到的拉曼光譜。分析結(jié)果顯示，碳膜晶體結(jié)構(gòu)介于納米晶石墨和無定形碳時(shí)，D峰的位置和半高全寬隨著碳膜有序度的增長而增長。使用Breit-Wigner-Fano(BWF)G峰+Lorentzian D峰或雙高斯分峰時(shí)，D峰的位置和半高全寬(FWHM)均可以用作碳膜有序度的衡量參數(shù)，以及計(jì)算有序石墨片層平面相關(guān)長度。本文使用雙共振拉曼散射模型對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行了理論解