与薄膜生长和加工相关尺度下的激光生成等离子体：模拟与实验

在脉冲激光沉积中，薄膜生长由激光生成的等离子体介导，其性质对于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对如何利用这种烧蚀等离子体来操控原子级薄系统的生长和加工的兴趣。为此，需要在等离子体成分参与材料过程的位置定量理解其密度、电荷态和动能。本文研究了从烧蚀靶材向外膨胀数厘米距离的激光诱导等离子体，这是材料生长和改性的相关长度尺度。该研究通过使用自适应笛卡尔网格求解器快速实现激光烧蚀/等离子体膨胀模型得以进行。将KrF准分子激光烧蚀Cu的模拟结果与朗缪尔探针和光学发射光谱测量结果进行了比较。模拟对等离子体屏蔽阈值、等离子体中物质的电离态以及离子动能的预测与实验数据吻合良好。在1-4 J/cm$^2$的激光能量密度下，羽流以Cu$^0$为主，膨胀前沿有少量Cu$^{+}$和电子。更高的激光能量密度（例如7 J/cm$^2$）会产生富含Cu$^{+}$的等离子体，其前沿完全电离，Cu$^{2+}$成为主导物质。在这两种状态下，模拟均表明存在一个低密度、高温、高电离度的等离子体膨胀前沿，可能在二维材料的掺杂、退火和动力学驱动的相变中发挥重要作用。