激光誘導(dǎo)材料靶上合成及其表面微結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，眾多領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笤絹碓礁?，急需新型材料與功能微結(jié)構(gòu)的開發(fā)與利用，因此探索制備新材料及功能微結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。激光與物質(zhì)相互作用在靶表面或內(nèi)部產(chǎn)生熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)，可以用于材料改性，合成新型材料和結(jié)構(gòu)，加深對已知材料的深層理解。研究激光與物質(zhì)的相互作用對擴(kuò)展激光應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)基礎(chǔ)理論研究以及探尋合成材料的新方法都具有重要意義。與通常脈沖激光燒蝕方法用于沉積薄膜和微加工不同，本文提出利用脈沖激光燒蝕固體靶，研究

2、靶上激光誘導(dǎo)合成材料和表面微結(jié)構(gòu)。本文以激光誘導(dǎo)材料靶上合成與表面微結(jié)構(gòu)為研究對象，在材料合成、激光參數(shù)對材料合成與微結(jié)構(gòu)形成的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。
　　利用長脈沖微秒激光和短脈沖飛秒激光分別作用2Al2O3+Tb4O7固體靶，研究不同脈沖寬度激光對合成的影響。研究結(jié)果表明利用微秒激光合成出了TbAlO3化合物，并且合成產(chǎn)物中Tb離子的價(jià)態(tài)發(fā)生了變化，部分Tb4+離子轉(zhuǎn)變?yōu)門b3+離子；而利用飛秒激光輻照后，靶表面材料仍然是

3、原材料；在合成TbAlO3的過程中，長脈沖激光誘導(dǎo)的熱效應(yīng)起著關(guān)鍵作用；在飛秒輻照中熱效應(yīng)可以忽略，激光誘導(dǎo)的反沖壓強(qiáng)等動態(tài)條件無法使材料達(dá)到相穩(wěn)定，因而沒有TbAlO3合成。同時(shí)利用非聚焦納秒激光合成出了EuFeO3，研究了激光輻照時(shí)間與合成產(chǎn)量的關(guān)系，結(jié)果表明激光輻照60s后作用區(qū)域物質(zhì)合成基本完成。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了激光靶上合成物質(zhì)的可行性。
　　利用納秒激光輻照放置在去離子水中的4CeO2+Tb4O7固體靶，研究了脈沖激光

4、強(qiáng)度對合成產(chǎn)物的影響。研究結(jié)果表明在靶表面合成了具有螢石結(jié)構(gòu)的CeTbO3+δ固溶體；激光強(qiáng)度不同會對合成物產(chǎn)量造成影響，隨著激光強(qiáng)度的增加，合成產(chǎn)量隨之增加，當(dāng)激光強(qiáng)度增加到本實(shí)驗(yàn)的最大值1.8×1012W/cm2時(shí)，CeTbO3+δ相對含量的增加曲線趨于平緩。因而我們認(rèn)為存在最優(yōu)化激光參數(shù)使得合成產(chǎn)物的量達(dá)到最大。
　　利用飛秒激光在空氣中輻照4CeO2+Tb4O7固體靶，研究了靶上物質(zhì)合成和微結(jié)構(gòu)制備。研究結(jié)果表明，采用飛秒

5、激光合成出了立方螢石結(jié)構(gòu)的CeTbO3+δ固溶體，合成產(chǎn)物分布比較均勻；靶表面沉積一層納米泡沫結(jié)構(gòu)（顆粒尺寸10nm）和球形顆粒（尺寸范圍20～300nm），我們對微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制進(jìn)行了研究；該納米泡沫有較大的比表面積和未成對懸掛鍵，使得表面的吸附能力增強(qiáng)。
　　利用納秒激光輻照單質(zhì)材料碳和硅，研究激光制備納米泡沫結(jié)構(gòu)的條件和機(jī)制。通過改變?nèi)肷浼す鈴?qiáng)度研究了表面微結(jié)構(gòu)的形成以及與激光強(qiáng)度之間的關(guān)系；分析認(rèn)為是由于激光強(qiáng)度不同造成電

6、離度、等離子體溫度以及團(tuán)簇的改變，從而導(dǎo)致不同微結(jié)構(gòu)的形成，而且納米泡沫的形成需要高于一定的激光閾值；激光輻照后碳靶表面呈現(xiàn)出深黑色，碳納米泡沫屬于無定形碳，該微結(jié)構(gòu)有利于提高材料的光學(xué)吸收系數(shù)，可以用于制備消光器件。分析認(rèn)為在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下可以在其他材料上獲得類似納米泡沫結(jié)構(gòu)，激光誘導(dǎo)納米泡沫結(jié)構(gòu)具有普遍性。
　　通過脈沖激光輻照固體靶的研究，證明了激光誘導(dǎo)靶上材料合成的可行性，研究了不同激光參數(shù)對合成和微結(jié)構(gòu)形成的影響，以及