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激光诱导的GaAs和GaN等离子体特性研究

郭娟  
【摘要】: 等离子体是由带电的正负粒子(其中包括正离子、负离子、电子等)组成的整体呈电中性的电离态气体。它并列于固体、液体、气体等状态被称为物质存在的第四态,并广泛存在于宇宙中,目前观测到的宇宙物质,99%都是等离子体。等离子体科学涵盖广泛,在工业、电工电子、军事、生物医学、可控核聚变、航空航天等方面发挥着重要的作用,在我们的实际生活中扮演着重要的角色。激光诱导等离子体是形成等离子体的重要方法。激光辐照在固体靶表面,靶材料迅速发生汽化、电离等过程形成激光诱导的等离子体。激光等离子体具有其它等离子体不具备的显著特点,例如内部具有强电场、很强的动力学压力而且是良好的高离化态粒子光谱源等等。研究激光诱导的等离子体具有重要意义,不仅可以深入了解激光与物质相互作用、等离子体内部粒子能级变化以及激光制冷原子等过程,而且为PLD方法制备GaAs和GaN等半导体、超导薄膜以及纳米结构提供重要的参数,具有一定的实用价值。 砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)分别被称为是继硅之后的第二代和第三代半导体材料的代表。90年代后GaAs作为一种性能优良的半导体材料逐渐取代硅材料,在微电子、发光器件、光电器件等众多领域发挥重要的作用。目前,它是制作发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、太阳能电池(SC)等的主要原料,同时在光学等领域也有广泛的应用。另外GaAs材料是研究激光制冷原子的重要材料,激光诱导的GaAs等离子体发射光谱可以为激光制冷原子的研究提供重要的参数。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,它是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,具有直接带隙宽、原子键强、热导率高、化学稳定性好、抗辐照能力强等性质,可制作紫外光探测器、光电子、高温大功率器件和高频微波器件,在激光探测器、航空航天、雷达与通信等方面有着广阔的应用前景。 本文主要工作是利用高分辨时空探测系统对激光诱导的GaAs和GaN等离子体进行了光谱诊断。光谱法具有非接触测试的特点,是等离子体诊断的重要方法。通过探测得到了有关原子和离子的时空分辨谱,在光谱诊断的基础上对激光诱导的GaAs和GaN等离子体的特性进行了研究。通过对光谱的分析得到了GaAs等离子体的电子温度和电子密度及其随时间的演化关系。另外对GaAs等离子体羽和GaN等离子体羽的膨胀速度进行了测量,并与理论计算进行了比较。结合实验得到的结果,对等离子体发射光谱的时间演化和产生机制进行了分析;对等离子体中Ga原子的发射谱线的谱线展宽和频移现象进行了详细的研究;对使用准分子激光后等离子体发射谱线出现的自吸收现象进行了定性的分析。利用一维辐射转移方程对等离子体谱线进行了模拟,并在两种情况下讨论了模型参数对实验结果的影响。在研究过程中取得了一些创新性的结果。概括起来,本论文的主要内容和结果如下: 1、研究了激光诱导的GaAs等离子体的辐射机制和紫外波段光谱线随时间的演化特性。通过分析知道,激光诱导的GaAs等离子体约在激光到达靶面5ns内产生,连续谱在20ns左右达到最大值而后逐渐减小,这一现象可以用轫致辐射和复合辐射的共同作用来进行解释。从原子能级寿命方面解释了GaAs等离子体发射谱线中Ga原子谱线要比As原子谱线出现晚的现象。对Ga原子谱线Ga I 287.42 nm、Ga I 294.36 nm、Ga I 403.30 nm、Ga I 417.20 nm的谱线强度有明显的上升再下降的现象进行了解释,另外对激光能量和压强对等离子体发射谱线演化的影响进行了研究。 2、运用黑体辐射近似、相对谱线强度法、玻耳兹曼法相结合的方法测量了GaAs等离子体的电子温度,运用斯达克展宽与电子密度之间的关系求得了GaAs等离子体的电子密度,并讨论了激光能量、探测点距靶面的距离等因素对GaAs等离子体电子温度和电子密度的影响。实验结果表明在空气中形成的GaAs等离子体的电子温度和密度随着激光能量的增加都出现饱和现象,这种现象可以用等离子体的屏蔽效应引起的等离子体自调节机制进行解释。另外等离子体的电子温度和电子密度在距离靶面约为0.5 mm处达到最大值,说明等离子体形成后向外膨胀的过程中不断吸收后续激光的能量,等离子体内部的粒子存在继续发生激发、电离等过程,使得等离子体内部的粒子数密度和内能继续升高,电子温度和电子密度都在与靶面有一定距离处达到最大值。 3、实验结果表明,激光诱导的GaAs等离子体发射谱线和GaN等离子体发射谱线中Ga原子谱线都出现相同趋势的谱线展宽和频移现象。根据与函数的拟合发现,Ga原子谱线的展宽随时间的演化与Biexponential函数符合得很好,我们从激光等离子体内部不同分区的电子密度变化快慢方面对这一现象进行了定性的分析。Ga原子的四条特征谱线Ga I 287.42 nm、Ga I 294.36 nm、Ga I 403.30 nm、Ga I 417.20 nm分别出现了两种不同的频移现象,Ga I 287.42 nm、Ga I 294.36 nm出现蓝移现象,Ga I 403.30 nm、Ga I 417.20 nm出现的是红移现象。我们利用二级斯达克效应造成的能级之间的相互作用对这一现象进行了解释。另外我们设计实验,探讨了多普勒效应对谱线频移的影响。其中对Ga原子谱线和As原子谱线在不同位置处出现的不同频移进行了定性的说明。 4、利用时间飞行谱对GaAs等离子体和GaN等离子体中Ga原子的飞行速度进行了测量。对激光功率密度、背景压强、靶材等对Ga原子的平均飞行速度的影响分别进行了分析。另外利用R-N模型对等离子体中的Ga原子在真空中的飞行速度进行了模拟计算,实验值相对于理论值随距离增加有下降趋势,原因在于理论计算没有考虑背景气体的影响。 5.实验测得,在1 atm下准分子激光诱导的GaAs等离子体中的Ga原子发射谱线呈现出明显的自蚀现象。我们对自吸收现象的产生机制以及激光波长和压强对GaAs等离子体发射谱线的自吸收现象的影响进行了研究。另外利用一维辐射转移方程对均匀等离子体中Ga I 417.20 nm谱线进行了模拟,并分别在光学薄等离子体和光学厚等离子体两种情况下,对其中的参数对最后模拟结果的影响进行了讨论。光学薄等离子体环境下拟合结果良好,而在光学厚等离子体环境下没有模拟出实验中所观察到的自蚀现象,原因在于实验模型为均匀等离子体,没有考虑等离子体内的电子分布以及谱线跃迁上下能级的粒子数分布情况。


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