激光對(duì)材料表面處理的作用機(jī)理研究.pdf

1、本文通過(guò)研究脈沖激光對(duì)材料表面處理時(shí)產(chǎn)生的各種形貌變化，推斷激光對(duì)材料表面損傷的機(jī)理并結(jié)合光電子能譜測(cè)試結(jié)果分析了準(zhǔn)分子激光對(duì)PTFE材料作用后其表面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化。 首先，在背景氣壓為大氣壓的條件下，從理論角度計(jì)算了1064 nm激光對(duì)Si和Hg0.8Cd0.2Te的損傷閾值分別為P0=4.44x108W·cm-2和P0=8.48x106W·cm-2。從實(shí)驗(yàn)角度用1-on-1方法測(cè)量了激光對(duì)Si和Hg0.8Cd0.2Te靶

2、材的損傷閾值分別為1.82x108W·cm-2和8.42×106W·cm-2。 其次，同種激光對(duì)Si和Hg0.sCd0.2Te以及不同激光波長(zhǎng)對(duì)二者表面的激光燒蝕效應(yīng)的異同，我們也分別作了討論與分析。發(fā)現(xiàn)Si和Hg0.8Cd0.2Te都出現(xiàn)了熔融和蒸發(fā)現(xiàn)象，同時(shí)，激光還造成了表面的三種力學(xué)破壞：溫度梯度的存在而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，蒸發(fā)波和爆轟波的反沖力。這三種力學(xué)破壞直接對(duì)表面造成機(jī)械損傷，突出表現(xiàn)為樣品表層的碎裂和褶皺。在同樣的準(zhǔn)分

3、子激光條件下，Si和Hg0.8Cd0.2Te的損傷形貌差異不僅取決于二者的物理性能(禁帶寬度、光吸收系數(shù)、熱脹系數(shù)、熔點(diǎn)、熔化潛熱等)，還要依賴激光的性能參數(shù)。不同激光對(duì)同一Hg0.8Cd0.2Te材料的影響也不相同，1064 nm激光對(duì)Hg0.8Cd0.2Te表面的燒蝕其熔融效應(yīng)要強(qiáng)于248 nm激光，原因是248nm激光對(duì)Hg0.8Cd0.2Te的蒸發(fā)汽化效應(yīng)更強(qiáng)一些，因此Hg0.8Cd0.2Te在1064 nm激光作用下表面呈更明

4、顯的熔融狀態(tài)。不同激光對(duì)同一Si材料影響也不相同，不同波長(zhǎng)激光對(duì)單晶Si材料表面損傷的差異主要源自于Si材料對(duì)不同激光的吸收系數(shù)的顯著差別，并且在紫外光輻照下Si表面熱效應(yīng)明顯，出現(xiàn)了周期性條紋，雖然邊緣也出現(xiàn)了由于機(jī)械作用而導(dǎo)致的褶皺現(xiàn)象，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂痕跡。 再次，本文還分析了準(zhǔn)分子激光對(duì)Si和PTFE表面損傷的形貌差異。準(zhǔn)分子激光對(duì)Si表面的損傷主要是光熱作用，而對(duì)PTFE表面輻照產(chǎn)生的化學(xué)鍵的斷裂則主要是光化學(xué)作用

5、而形成的，表面形貌的顯著區(qū)別來(lái)源于這兩種材料性質(zhì)的不同：一種是半導(dǎo)體一種是絕緣體。這其中包括化學(xué)鍵的結(jié)合能不同，熔點(diǎn)不同，對(duì)光的吸收系數(shù)不同，而且Si是晶體，有著較高的熔化潛熱，PTFE材料是非完全晶態(tài)，熔化潛熱極小。 最后，利用了光電子能譜測(cè)試手段，對(duì)激光處理后的表面元素成份變化進(jìn)行了分析。準(zhǔn)分子激光在常溫常壓下對(duì)置于空氣中的PTFE進(jìn)行表面處理，其表面被碳化且粗糙度增加，使得F原子被剝離，去氟效應(yīng)明顯；F被剝離后出現(xiàn)的空位一

6、部分與O連接，形成含氧基團(tuán)，含氧基團(tuán)的引入導(dǎo)致表面分子的極化，另一部分會(huì)與相鄰的C相交叉連接。這些有助于對(duì)PTFE進(jìn)一步的接枝或與化學(xué)試劑的反應(yīng)。 本文以Si、Hg0.8Cd0.2Te和PTFE為例，研究了激光對(duì)物質(zhì)表面損傷的作用機(jī)理。作為基礎(chǔ)性研究，對(duì)高功率密度激光燒蝕的液體濺射理論以及對(duì)Si和Hg0.8Cd0.2Te表面損傷閾值的研究有了進(jìn)一步地完善，理論上得出了造成晶體表面損傷和形態(tài)改變的因素主要有熱應(yīng)力、蒸發(fā)波和爆轟波的