刘迈,李晶

(华北科技学院基础部,河北燕郊 065201)

飞秒激光与金属作用机理

刘迈,李晶

(华北科技学院基础部,河北燕郊 065201)

对脉冲激光沉积过程中激光和金属作用的微观机制进行了深入分析.通过双温方程模拟得到飞秒激光作用金靶材温度随时间变化的图像.该图像反应出激光和金属表面及内部晶格作用特点.进一步分析得知,当晶格温度大于金属沸点时将会产生高能的等离子体.通过数值模拟找出了产生等离子体所需激光的能量阈值,这样能够帮助纳米材料的制备者选择激光,制备出优质的纳米薄膜.

飞秒激光;双温方程;激光能量阈值

随着更高功率千瓦级准分子激光器的开发,准分子激光器的工业应用也越来越多.近几年来,国内外广泛开展了准分子激光在材料表面改性、辅助沉积和镀膜等方面的研究工作[1-4].日本Yilmaz首次用脉冲激光沉积(PLD技术)在Sr TiO3(110)衬底上制备了KTN薄膜[5],尤其是自美国贝尔实验室利用准分子激光器成功地制备了高TC氧化物超导薄膜以来[6],准分子激光沉积技术已被用来沉积出了许多优质的多组分氧化物铁电、压电、热电、半导体、超硬、铁磁等薄膜材料.同时,还可以利用PLD的仪器来研究脉冲激光与物质之间的作用机理.目前,激光和物质之间的非线性相互作用还有待进一步研究.

1 PLD制备薄膜的过程

将样件固定在真空室内的村底上,真空室由机械泵与分子泵将背景抽到真空.根据不同的需要,随即通入一定的气氛气体.将衬底固定在气氛室内,并利用加热器对衬底加热、实施实时温度监控,并将衬底温度调到沉积薄膜所需要的合适温度.然后,高功率脉冲激光束经汇聚透镜聚焦,通过石英窗口入射到靶材上.激光束与靶材强烈相互作用,从靶材表面溅射出高温高密气态分子,形成所谓等离子体羽辉.然后,等离子体羽辉在气氛室内,沿着靶材表面法线方向,经过短暂的等温膨胀,进而进行绝热膨胀.随着以后的脉冲激光的周期性重复,不断周期性地形成新的等离子体羽辉,并进行等温、绝热膨胀.这些等离子体羽辉很快(约几十纳秒之后)就穿越气氛室到达衬底.等离子体到达衬底后,开始薄膜沉积过程.沉积过程首先发生在衬底表面的缺陷周围,形成所谓孤立的生长岛.随着等离子体不断沉积,不断出现新的生长岛,原有的生长岛也会继续增大,一直到这些生长岛并合在一起,连结成完整的膜.在沉积过程中,膜的厚度会累积增大直到所需的厚度,然后关闭激光源,沉积停止.

2 激光与物质作用的物理机制

当脉冲激光照射固体靶材时,激光与靶材之间存在着强烈的相互作用,产生许许多多的物理过程、物理效应.首先,激光能量会被不透明的靶材凝聚态物质吸收,被照射表面下的一个薄层被加热,使最外表面温度升高,同时,能量向靶材的内层传导,使被加热层的厚度不断增加.随着深度的增加,温度梯度越来越小,从而导致热传导引起的热输运速度随时间而减弱.

由于PLD技术所用的脉冲激光功率密度极大,蒸发粒子的温度都很高,以致在这些粒子中有相当多的原子被激发和离化.对这些被激发和离化的原子和晶格,会吸收激光辐射,直到蒸气中的粒子几乎全部被离化,从而导致在靶的表面出现等离子体羽辉.

激光与靶材的强相互作用在靶表面附近形成复杂的层状结构.在脉冲激光作用时,最外层靶材以等离子体状态喷出.在靠近靶材表面的等离子体羽辉粒子密度非常高,称为电晕区.电晕区通过逆韧致效应,吸收绝大部分脉冲激光能量,从而屏蔽激光向靶材表面所辐射的能量.在电晕区外面的等离子体,由于粒子密度相对较低,对于激光能量没有吸收效应,称为导热区.在靶材的表层即渗透层存在较激烈的能量输运现象,其中以固相为主,实际上还存在液相和气相物质,这种层状结构在脉冲激光的作用下,将随时间不断向靶材的深处推进.

1975年,苏联学者Anisimov等提出烧蚀金属材料的经典的双温模型(TTM)[7].通常,它被用来研究靶材吸收激光能量后温度的变化趋势,也被应用于模拟激光和靶材相互作用的物理现象如电子晶格间能量的转化率、激光烧蚀开始时的能量阈值[8]等.在烧蚀过程中,根据物质的性质,将靶材看成2部分,即电子系统和晶格,它们有不同的温度,通过热传导的方式相互传递着能量.该模型从一维非稳态热导方程出发,考虑到超短脉冲时光子与电子及电子与晶格2种不同的相互作用过程,给出了电子与晶格的温度变化微分方程组,即双温方程.方程(1)来描述电子系统的温度演化规律,方程(2)来描述晶格的演化规律.

如将激光能量看成是不变的,则双温方程可以写为

其中,Te,Ti为电子及晶格的温度.Ci,Ce分别为晶格的比热容和电子的比热容;ke是电子热传导率;A(x,t)是激光热源项,A(x,t)=(1-R)αg(t)exp[-αx];q(t)是激光脉冲时间的函数部分;R,α是靶材的反射率和光学吸收系数;g是靶材的电声耦合系数.

将表1中金的物性参数和激光特征参数(波长为1 053 nm,脉宽为170 fs,激光能量密度0.4 J/cm2)代入上述方程,得到靶材在烧蚀前电子、晶格的温度随时间和位置的演化图像,如图1所示.在单个激光脉冲辐照时间内电子温度极快地增加,当激光停止作用时,电子温度下降.当达到电声弛豫时间后,温度变化很小.晶格在电声弛豫时间内尽管不断上升,但比电子升温慢得多.当达到电声弛豫时间后,升温更慢,但比晶格随深度减小,升温快得多.随着时间的增长,电子的温度和晶格的温度合二为一,和各个实验阶段的特点基本一致.

表1 1 053 nm激光辐照下金的物性参数[9-10]Tab.1 Gold's physical parameters in 1 053 nm laser irradiation[9-10]

图1 电子、晶格两系统的温度演化Fig.1 Tem perature evolution of the Electron system and the Ion system

图2 金靶材表面温度Fig.2 Surface tem perture of gold target

如图2所示,模拟得到的金靶材表面晶格温度为3 097 K,远大于常压下金的沸点温度.这说明当波长为1 053 nm能量密度为0.4 J/cm2的飞秒脉冲激光辐照金靶材表面时,产生了金的等离子体,因此,只要适当调节基底的温度、基底旋转轴角度和基底的转速,就可以制备出优质的金元素的纳米薄膜.金元素的纳米薄膜有良好的光催化作用,在工业上用途十分广泛,有着很好的应用前景.通过模拟得到不同能量密度激光辐照金靶材后得到的晶格温度,然后将得到的晶格温度和金元素的沸点比较.如果晶格温度大于沸点,便可以认为靶材表面被激光烧蚀产生了等离子体.通过这种方法,可以很容易地确定脉冲激光和金靶材作用产生等离子体的能量密度阈值,合理控制激光脉宽和能量密度的大小,来制备优质的金纳米薄膜.

下面仍然以波长为1 053 nm、脉宽为170 fs激光为例,通过双温方程模拟得到不同能量密度下金靶材表面的晶格温度.通过分析下图(图3)的结果,来确定产生金等离子体的临界激光能量密度值.由图3可知,激光能量密度越大,金靶材表面的晶格温度越高,而且还是一一对应的关系.根据模拟结果,得到的激光辐照金靶材表面产生金等离子体的能量阈值是0.53 J/cm2.

图3 激光能量阈值Fig.3 Laser fluence threshold

3 小结

1)本文深入分析了脉冲激光沉积过程中激光和金属作用的微观机制,使激光辐照金属靶材的物理图像更加清晰,对提高整个制备环节的改良提供了依据.

2)通过双温方程模拟得到飞秒激光作用金靶材温度随时间变化的图像.由该图像可知,激光辐照金属先将大部分能量传给了电子,再由电子将能量传给晶格.电子系统内部达到平衡后温度很高,在传递能量给晶格过程中,温度逐渐降低.最终,电子系统和晶格共同达到平衡温度.进一步分析得知,当晶格温度大于金属沸点时将会产生高能的等离子体.

3)通过数值模拟可以找出了激光辐照金属靶材产生等离子体所需的能量阈值.

[1]刘爱华,张运海,满宝元.聚四氟乙烯材料表面激光改性与刻蚀[J].光学学报,2006,26(7):1073-1077.

[2]赵昆,包全合.镁合金表面激光改性的研究进展[J].热加工工艺,2009,38(10):135-138.

[3]刘红飞,程晓农,张志萍.脉冲激光沉积法制备ZrW2O8薄膜[J].硅酸盐学 报,2009,37(5):755-759.

[4]程成,薛催岭,宋仁国.脉冲激光沉积制备Ge纳米薄膜的研究[J].光电子·激光,2009,20(2):204-207.

[5]YILM ZA S,VENKA TESAN T,GERHARD-MUL THAUPT R.Pulsed laser deposition of stoichiometric potassium-tantalate-niobate film s from segmented evapo ration targets[J].App l Phys Lett,1991,58(22):2479-2485.

[6]DIJKKAMPD,VENKA TEASAN T,WU X D.Preparation of Y-Ba-Cu oxide superconducto r thin film s using pulsed laser evapo ration from high Tc bulk material[J].App l Phys Lett,1987,51(8):619-621.

[7]AN ISIMOV S I,KAPEL IOV ICH B L,PERELMAN T L.Electron emission from metal surfacesexposed to ultrasho rt laser pules[J].Sov Phys JETP,1975,39:375.

[8]COLL INSC B,DAVANLOO F,JUENGERMAN E M,et al.Laser p lasma source of amo rphic diamond[J].App l Phys Lett,1989,54(3):216-219.

[9]孙承伟.激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社,2002.

[10]CHENG Changrui,XU Xianfan.Mechanisms of decomposition of metal during fem tosecond laser ablation[J].Physical Review B,2005,72:165415.

(责任编辑:孟素兰)

Mechanism of Interaction Between
Fem to-second Laser and Metal

LIUMai,LIJing
(Department of Basic Courses,North China Institute of Science and Techno logy,Yanjiao Tow n 065201,China)

The mechanism of interaction between fem to-second laser and metal in the pulse laser ablation p rocess is analyzed.We got the figure of temperature changew ith time by sim ulated the two temperature model(TTM)in the p rocess,w hich the fem to-second laser ablated the go ld target.It show s the surface and inside characters of metal in the laser ablation p rocess.A dditionally,the p lasma w as generated w hen the ion temperature is higher than the boil temperature of metal.We can find out the laser threshold by numerical sim ulation.Itw ill help the researchersof making the nanometersmaterial to choose the laser parameter.

fem to-second laser;two temperature model;laser thresho ld fluence

TG 156.99

A

1000-1565(2010)06-0639-04

2010-03-16

刘迈(1956—),男,北京人,华北科技学院副教授,主要从事材料方面研究.