【摘要】：激光表面改性主要利用脈沖激光與材料表面發(fā)生反應(yīng),促進(jìn)反應(yīng)的材料表面的形態(tài)與性能產(chǎn)生改變,從而達(dá)到對(duì)材料表面性能的修飾。高功率短脈沖激光對(duì)材料的加工能夠大大的克服熱效應(yīng)帶來(lái)的弊端,它具有不需要掩膜、高效率、選擇性和可定位性等優(yōu)點(diǎn)。研究高功率激光對(duì)于半導(dǎo)體和金屬材料的燒蝕對(duì)于材料激光加工和材料微納結(jié)構(gòu)合成具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本實(shí)驗(yàn)利用Nd:YAG高功率泵浦調(diào)Q激光器,對(duì)硅、碳化硅和鋅進(jìn)行了高功率脈沖燒蝕實(shí)驗(yàn),通過(guò)調(diào)整氣氛條件、脈沖次數(shù)、脈沖功率等條件,獲得了不同的表面形貌。利用SEM和EDS對(duì)它們燒蝕后形成的表面形貌進(jìn)行了研究,并對(duì)產(chǎn)生這些形貌的物理機(jī)制進(jìn)行了分析。研究的主要結(jié)論是:(1)我們觀測(cè)到真空背景下,硅表面激光燒蝕形成火山口狀結(jié)構(gòu),大氣背景下未觀測(cè)到該結(jié)構(gòu)。大氣背景下,大部分的激光能量會(huì)被大氣擊穿和被后續(xù)的等離子體吸收等離子體沖擊波效應(yīng)不明顯。而在真空環(huán)境下,硅表層與激光相互作用更強(qiáng),等離子體沖擊波造成了火山口狀結(jié)構(gòu)。低真空下對(duì)碳化硅輻照后形成了大量的柱狀結(jié)構(gòu),主要原因是碳化硅具有比硅更高的熔點(diǎn)和硬度,且相對(duì)導(dǎo)熱性較好,從而導(dǎo)致燒蝕后形貌受等離子體影響較小,形成了上述的柱狀結(jié)構(gòu)。(2)大氣環(huán)境下對(duì)鋅材料進(jìn)行了燒蝕,表面生成了火山口狀的熔融區(qū)域,周?chē)膫?cè)壁上有大量的褶皺堆積。在低真空下表面的圓形熔融區(qū)域的周?chē)纬闪溯^為規(guī)則的側(cè)壁。對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋅在低真空環(huán)境下比在大氣環(huán)境下更易制得規(guī)則的外圍區(qū)域。這是因?yàn)樵诖髿猸h(huán)境下,當(dāng)脈沖激光進(jìn)行燒蝕時(shí),容易形成大氣等離子體,氣體對(duì)于側(cè)壁的冷卻凝結(jié)過(guò)程產(chǎn)生了影響,導(dǎo)致了不規(guī)則褶皺的出現(xiàn)。提高了脈沖激光的功率后,燒蝕鋅靶后生成的表面微結(jié)構(gòu)存在著顯著差異。這主要是由激光束與更熱和更密集的等離子體的非線性相互作用,導(dǎo)致等離子體壓強(qiáng)更大,形成結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)了對(duì)側(cè)壁更強(qiáng)烈的外推效應(yīng)。(3)我們?cè)诘蜌鈮合吕妹}沖激光燒蝕了鋅靶,在它的中心孔洞的側(cè)壁上出現(xiàn)了氧化鋅微球,它的直徑在1.5-7um左右。隨著燒蝕次數(shù)的增加,氧化鋅微球的尺度在不斷增大,它的化學(xué)成分也越來(lái)越接近與氧化鋅。大量微米級(jí)氧化鋅球體的存在對(duì)后續(xù)激光產(chǎn)生了耦合增強(qiáng)效應(yīng),其原因是大量的氧化鋅球體表面鑲嵌著規(guī)則的納米量級(jí)六邊形和五邊形小平面,對(duì)后續(xù)脈沖激光產(chǎn)生鏡面反射現(xiàn)象,在孔洞的內(nèi)表層產(chǎn)生匯聚增強(qiáng)效應(yīng),極大地提高了后續(xù)激光燒蝕的功率密度。
【圖文】：

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖2.1 實(shí)驗(yàn)裝置圖燒蝕完成后，我們對(duì)通過(guò)與脈沖激光作用后生成的微納米結(jié)構(gòu)通過(guò)掃描電子顯微鏡詳細(xì)分析, 然后通過(guò)能譜儀（EDS)來(lái)測(cè)定微材料的化學(xué)組成。2.3 掃描電子顯微鏡和能譜儀2.3.1 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡英文名為scanning electron microscope，簡(jiǎn)稱SEM。它最早發(fā)明于1965年，是一種比較現(xiàn)代的研究工具。它觀察樣品的表面形態(tài)主要是通過(guò)二次電子信號(hào)成像來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖2.2所示就是典型的掃描電子顯微鏡的系統(tǒng)。在本文中我們采用的是日本日立公司生產(chǎn), 型號(hào)為S-4800的掃描電子顯微鏡。它的最大放大倍數(shù)為80萬(wàn)倍，分辨率可達(dá)1nm (15KV)。二次電子圖像分辨率為2nm。圖2.2 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡英文名為scanning electron microscope，簡(jiǎn)稱SEM。它最早發(fā)明于1965年，，是一種比較現(xiàn)代的研究工具。它觀察樣品的表面形態(tài)主要是通過(guò)二次電子信號(hào)成像來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖2.2所示就是典型的掃描電子顯微鏡的系統(tǒng)。在本文中我們采用的是日本日立公司生產(chǎn), 型號(hào)為S-4800的掃描電子顯微鏡。它的最大放大倍數(shù)為80萬(wàn)倍，分辨率可達(dá)1nm (15KV)。二次電子圖像分辨率為2nm。圖2.2 掃描電子顯微鏡
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN249

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本文編號(hào)：2675222