纳米材料和纳米结构第八讲最终.doc

纳米材料和纳米结构Laser Ablation激光烧蚀法第八讲1 介绍纳米材料制备技术的理想性能 高聚集率 大量的原始材料合成物精确转换为纳米材料 产品干净无污染 解除过程变量的控制 任何合成物和微观态（例如：非平衡态，多元合 金，陶瓷）都有生成纳米材料的潜能 精密的晶体粒子分布 晶体结构可操作纳米材料制备中激光的优势高的能量密度 易于修正轮廓的脉冲光波 对于时间及空间 有效波长的波段宽 大气中高速传播 单色的连续的光线相对于廉价的光线器件更易处理激光烧蚀技术的优势 创造浓缩材料大量的通量 生成对于靶子有相同化学计量的羽毛状的浓缩材料 通过改变激光脉冲能量、重复频率、聚焦的光斑大小可以快速及其 容易的控制对激光烧蚀法在物理学的简要说明 一个高能量的激光束打在耙子上与之相互作用，使激光束的部分能量转换为热能足以使靶子融化、蒸发。 蒸发的材料通常是部分电离形成等离子体。等离子体膨胀，冷却并凝结成簇，之后继续从靶体迁移直到它们被一个冷基质收集2激光烧蚀法的原理基本过程激光烧蚀法中，激光束的能量转移到靶体材料上。这里有三个标志路径，主要由激光功率、波长、脉冲持续时间、表面性质决定，通过激光能量的升迁来从靶体上消融和移除材料 光热烧蚀 等离子体烧蚀 光化学烧蚀 光热烧蚀 发生在较弱功率 (100-500 MW/cm2) 和更长的脉冲长度( 10 ns) 的条件下 通过光量子被靶体表面的自由电子或束缚电子所吸收，能量从激光束转移到靶体，导致了电子震荡 受激发的电子轻松的通过与其他电子和晶格声子相互作用，使靶体材料的温度升高。 能量的转移发生在非常短的一个脉冲时间里，它被限制在结构组织的头几个图层里。 表层的原子被允许通过蒸发冷却降温然而下层面的原子不能消散他们的能量，他们的比容迅速增加由于体积迅速膨胀，下层面的热原子连同冷却器表面的原子被强制喷射出在这个模式下激光必须要有临界值等离子体的协助烧蚀 在高激光功率条件下发生 激光脉冲在靶体表面上生成临时的等离子体 产生高能离子消耗自身能量轰击靶体表面，之后靶体原子剧烈热运动使它从表面被驱逐出光化学（光解）烧蚀 激光的光子能量与靶体分子的键能同序 光子能量被粘合剂吸收和累积，导致粘合剂分裂，引起材料的喷出 光热烧蚀和光化学烧蚀原理比较示意图 理论模型 固体靶：热传递被假定只在轴向传导 液膜：在固相上的液膜足够薄所以穿过薄膜的温度变化呈线性，液体的驱逐被忽略 努森层：被认为是零厚度，创造了一个不连续的状态性能，例如：压力、温度、密度、速率 等离子体：被认为是光薄膜，所以在等离子体和入射激光束之间没有耦合 颗粒的形成：由液滴生长理论决定，包括在等离子体内的颗粒尺寸分布激光烧蚀的物理过程示意图（理论模型）实验结论-1融化材料的数量与激光的强度或与给定激光强度时的烧蚀时间有关固-液界面深度随消融时间的变化实验结论-2蒸汽通量随激光强度增加，他在前几个纳秒迅速增加最终达到一个恒定值蒸汽通量在液体表面随烧蚀时间的变化 实验结论-3颗粒大小随在等离子体内的高度和烧蚀时间而增加在等离子相内各种不同高度的颗粒大小的分布3 加工实验 加工室 高真空烧蚀室粉末收集器旋转靶体支架预真空锁 步进电机 温度和压力的监控装置 冷却系统 真空系统 光学系统，包括处理准分子激光和诊断染料激光器 激光吸收光谱被用来测量羽毛内部原子的物理属性 过程变量 气压 、 激光能量密度4 微观结构NbAl3 纳米晶体粉末制备条件：气压1.0 Torr，激光能量密度2.2 MW/cm2纳米颗粒粒径分布 制备条件：气压1.0 Torr，激光能量密度2.2 MW/cm2制备条件：气压10.0 Torr，激光能量密度1.87 M