超短脈沖激光燒蝕金屬鋁和高定向熱解石墨產(chǎn)物的分子動力學模擬和實驗研究.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域中極有前景的先進技術之一。因此，近年來激光燒蝕中極端物理過程的基礎研究變得尤為重要。分子動力學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)境會燒蝕產(chǎn)生不同性質的納米顆粒，這方面的理論和實驗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令人十分感興趣的課題，可以制備新型結構碳材料。本論文對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、金屬顆粒的性質進行了分子動力學模擬和實驗研究，并對超短脈沖激光燒蝕高定向熱解石墨產(chǎn)生碳膜的性質進行了較深入的實驗研究。論文主要內容和結果如下:
　　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制及其燒蝕產(chǎn)物的熱動力學演化過程。對近年來國內外分子動力學模擬和相關實驗研究工作進行了概述和總結。其中發(fā)現(xiàn)，通常在氣體環(huán)境中燒蝕金屬時，會伴隨有氣體激波的產(chǎn)生，對激波的熱動力學過程和對噴射物納米顆粒的影響人們還研究得較少。因此，

3、對此問題進行深入研究具有顯著的科學探索意義和潛在的應用價值。針對分子動力學模擬這一工具，本文闡述了分子動力學模擬的原理、算法、數(shù)據(jù)處理和主要應用范圍。針對本文感興趣的超短脈沖激光燒蝕金屬這一課題，詳細介紹了應用于超短脈沖激光燒蝕的雙溫模型、分子動力學模型模擬。
　　2.進行了超短脈沖激光氬氣環(huán)境燒蝕金屬鋁的分子動力學模擬。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大尺

4、度氬氣環(huán)境下飛秒激光燒蝕金屬鋁的分子動力學模擬結果。獲得了0～600ps燒蝕動態(tài)圖像和此過程中鋁噴射物和氬氣激波的熱動力學演化規(guī)律。對氣體環(huán)境燒蝕的產(chǎn)物進行了團簇分析，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力學變化情況。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性質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驗裝置，分別在

5、真空和一個大氣壓氬氣環(huán)境下使用云母片接收燒蝕產(chǎn)生的鋁金屬納米顆粒，使用光學顯微鏡和原子力顯微鏡觀察了燒蝕產(chǎn)物，對顆粒大小進行了統(tǒng)計，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致的熱應力釋放機械機制，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顯微鏡和拉曼光譜儀進行估計和測量。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。分析結果顯示，碳膜晶體結構介于納米晶石墨和無定形碳時，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，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)，以及計算有序石墨片層平面相關長度。本文使用雙共振拉曼散射模型對這一結果進行了理論解