双束脉冲激光技术制备大尺寸致密均匀的SiC薄膜

本申请课题拟采用理论和实验相结合的方法，分析双束脉冲激光烧蚀SiC等材料的蒸发和膨胀的物理机制。从研究产生的等离子体特性入手，对双束脉冲激光沉积过程的主要机理做深入探讨，总结出能够产生电离效率高、大尺寸空间膨胀、寿命长的等离子体实验条件。在此研究基础上，通过外加磁场的调控使其内部离子空间分布均匀，通过对烧蚀和沉积过程的研究，最终实现并完善双束脉冲激光在Si衬底上制备大尺寸（5cm）致密均匀的高熔点超硬度SiC薄膜。为PLD制备高质量的薄膜提供可靠的实验和理论依据。双束脉冲激光烧蚀沉积技术的不断完善必将使高质量、高附着强度、均匀的大尺寸薄膜制备得以顺利实现，是解决单束激光沉积镀膜中出现各种缺陷的最有效的途径。

围绕着课题的研究内容及研究目的开展了一系列地实验与理论相结合的探索研究.重点研究高功率纳秒脉冲激光与SiC材料相互作用过程中等离子体的演化机制及物理机理. 研究了波长是1064和532nm的激光烧蚀SiC靶材得到的等离子体的空间分布情况。在距离较远范围内（>3mm），对于1064nm入射激光，电子密度和电子温度是一种慢变化行为，且随着距离的变化存在波动，出现这种现象主要因为等离子体对后续入射激光的自调节作用使得冷却过程被电子和离子的复合所释放的能量所补偿。对于532nm的入射激光，电子密度却有上升的趋势，而电子温度在3-5mm的平缓变化后却急剧的降低。我们还研究了透镜到样品的距离与激光烧蚀SiC产生等离子体的关系，当LTSD小于透镜焦距时，电子温度、电子密度和谱线强度均随着LTSD的增加而增加，但当LTSD大于透镜焦距时，电子温度和电子密度依然呈现上升的趋势，但是特征谱线强度却呈现出不同的演化趋势。我们还研究了纳秒量级脉冲激光与SiC材料相互作用后在其表面形成的微纳米柱体结构。通过X射线能谱分析出微结构的C与Si元素比例为7:3，不利于形成等比例的SiC薄膜。将激光束再次聚焦在纳米柱体区域，我们通过等离子光谱诊断技术发现与烧蚀SiC平滑表面相比，C元素谱线能明显增强。实验表明，这些纳米柱体结构能够对后续入射激光产生汇聚作用，可以进一步诱导产生更为致密高温等离子体，有利于沉积高质量SiC薄膜。