与薄膜生长和加工相关长度尺度下的激光等离子体：模拟与实验

摘要： 在脉冲激光沉积过程中，薄膜生长由激光产生的等离子体介导，其特性对控制薄膜微观结构至关重要。二维材料的出现重新激发了人们利用这种烧蚀等离子体来调控原子级薄体系生长与加工的兴趣。为此，需要定量掌握参与材料过程的等离子体组分的密度、电荷态和动能。本研究针对距离烧蚀靶材数厘米的激光诱导等离子体展开（该尺度与材料生长改性的实际长度相符），通过采用自适应笛卡尔网格求解器快速实现了激光烧蚀/等离子体膨胀模型。将氪氟准分子激光烧蚀铜的模拟结果与朗缪尔探针及光学发射光谱测量数据进行对比，发现等离子体屏蔽阈值、组分电离态及离子动能的模拟预测与实验数据高度吻合。当激光能量密度为1-4 J/cm2时，羽流主要由中性铜原子(Cu?)构成，膨胀前沿仅含少量铜离子(Cu?)和电子；而更高能量密度(如7 J/cm2)会产生富铜离子等离子体，其完全电离的前沿区域以二价铜离子(Cu2?)为主导。两种工况下模拟均显示存在低密度高温等离子体膨胀前沿，该高电离度区域可能对二维材料的掺杂、退火及动力学驱动相变具有重要作用。