脉冲激光沉积类金刚石膜技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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程勇 等 著

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• 金刚石膜
• 脉冲激光沉积
• 薄膜技术
• 材料科学
• 表面工程
• 物理气相沉积
• PVD
• 激光技术
• 涂层技术
• 纳米材料

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030515513

版次：1

商品编码：12225260

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-05-01

用纸：胶版纸

字数：535000

正文语种：中文

内容简介

　　脉冲激光沉积技术是一种研究和开发新型高性能材料的有效途径，在制备新型碳材料——类金刚石膜方面，以其独有的特点，逐渐显现出填补传统技术空白的优势。但是，脉冲激光沉积技术制备的类金刚石膜也存在一些固有的缺陷，如内应力大、大面积不均匀等问题。如何采用脉冲激光沉积技术制备出具有工程应用价值的类金刚石膜，一直是国内外相关领域研究者的目标。《脉冲激光沉积类金刚石膜技术》共7章内容。从介绍类金刚石膜性质、组成、制备及应用入手，阐述脉冲激光沉积技术及其在制备类金刚石膜方面的机理和优点、缺点，以及类金刚石膜的测试与表征；详细讨论激光参数、基底状态、靶材种类以及环境气氛等因素对类金刚石膜性能的影响，偏重于阐述掺杂、退火、膜层结构及双激光技术等类金刚石膜降低内应力、提高膜层各种性能的改性技术；针对类金刚石膜的工程应用中存在的大面积不均匀、制备效率低的现实问题，展现多功能激光沉积系统，阐述脉冲激光沉积大尺寸均匀平面和球面类金刚石膜的装置、模型及实验；最后介绍脉冲激光沉积技术在制备其他功能薄膜方面的应用，展望该技术未来发展趋势和前景。

作者简介

　　程勇，江西玉山人，武汉军械士官学校光电技术研究所所长、教授。1982年石家庄高级军械学校毕业，2002年获中国科学院安徽光学精密机械研究所光学专业博士学位，2004年中国科学技术大学高级访问学者，2007年赴英国皇家科学院访问。中国固体激光工程和光电装备保障专家，全军专业技术重大贡献奖及政府特殊津贴获得者，被授予“全国优秀科技工作者”荣誉称号。现任中国光学工程学会常务理事、中国光学学会光电专业委员会常委，《红外与激光工程》《激光与光电子学进展》等杂志编委。
　　主要从事固体激光工程与器件、光电装备保障和新慨念激光技术等领域的研究，“免调试固体激光”“互注入相干合成”“激光沉积光学窗口类金刚石膜”“双波长自由切换激光器”“OPO人眼安全激光器”等研究成果得到了学术界和产业界的充分肯定，在装备中得到广泛应用。获国家技术发明二等奖1项、军队科技进步一等奖3项、军队科技进步二等奖4项，编写《免凋试固体激光器》等专著3部，发表学术论文100余篇，获得授权专利24项，荣立二等功2次。

目录

目录
序
前言
第1章 类金刚石薄膜概述 1
1.1 类金刚石膜的定义及性能 1
1.1.1 类金刚石膜的定义 1
1.1.2 类金刚石膜的性能 8
1.2 类金刚石膜的制备方法 11
1.2.1 物理气相沉积方法 13
1.2.2 化学气相沉积方法 31
1.2.3 液相沉积方法 44
1.3 类金刚石膜的应用 48
1.3.1 光学应用 48
1.3.2 机械应用 49
1.3.3 电学应用 50
1.3.4 医学应用 51
1.3.5 其他应用 51
1.4 类金刚石膜研究难题及其改进技术 52
1.4.1 类金刚石膜研究中存在的难题 53
1.4.2 常见类金刚石膜改性技术 55
1.4.3 类金刚石膜研究展望 59
参考文献 60
第2章 激光沉积法制备类金刚石膜的机理 67
2.1 激光沉积法的原理 67
2.2 激光沉积类金刚石膜及类石墨膜的理论模型 70
2.2.1 “浅注入(亚种植)”生长模型 71
2.2.2 “能量淬灭”生长模型 76
2.2.3 “热峰”生长模型 77
2.2.4 “离子刻蚀”生长模型 77
2.3 激光沉积薄膜的诱导等离子体 78
2.3.1 激光等离子体的形成与扩展 78
2.3.2 激光等离子体膨胀的动力学 81
2.3.3 等离子体的空间分布和飞行时间 85
2.3.4 等离子体的光谱特性 87
2.3.5 辅助气体对激光诱导等离子体的影响 97
2.4 激光沉积法制备类金刚石膜的优缺点 105
2.4.1 激光沉积法制备类金刚石膜的优点 105
2.4.2 PLD法制备类金刚石膜的主要缺点及改进措施 106
参考文献 112
第3章 类金刚石膜的性能测试与表征 115
3.1 傅里叶红外光谱 115
3.2 拉曼光谱 118
3.3 纳米硬度 122
3.4 X射线光电子能谱 129
3.5 椭偏光谱 132
3.6 表面形貌 136
3.6.1 扫描电子显微镜 136
3.6.2 原子力显微镜 138
3.7 摩擦磨损 141
3.8 薄膜应力 145
3.8.1 基片变形法 146
3.8.2 X射线衍射法 147
3.8.3 拉曼光谱法 148
3.9 膜基附着强度 149
3.9.1 纳米划痕法 149
3.9.2 纳米压痕法 151
3.9.3 刮剥法 152
3.9.4 拉伸法 152
3.9.5 抗剪切强度检测法 154
3.10 环境试验 155
3.10.1 牢固度试验 155
3.10.2 温度试验 155
3.10.3 侵蚀试验 156
3.10.4 其他试验 157
参考文献 157
第4章 激光沉积法制备类金刚石膜的影响因素 160
4.1 激光参数 160
4.1.1 激光波长 160
4.1.2 激光脉宽 162
4.1.3 激光功率密度 164
4.1.4 其他参数 189
4.2 靶材性质 190
4.2.1 常规固体靶材 190
4.2.2 其他种类靶材 193
4.3 气氛环境 203
4.3.1 氢气氛环境 204
4.3.2 氮气氛环境 206
4.3.3 氧气氛环境 211
4.3.4 惰性气体环境 213
4.4 基底状态 215
4.4.1 基底偏压 215
4.4.2 基底温度 218
4.4.3 基底倾斜 222
4.4.4 基底预处理 226
参考文献 226
第5章 激光沉积法制备类金刚石膜的性能改进技术 230
5.1 元素掺杂 232
5.1.1 金属掺杂DLC膜 233
5.1.2 非金属掺杂DLC膜 238
5.1.3 化合物掺杂DLC膜 245
5.2 退火后处理 248
5.2.1 高温热退火 248
5.2.2 激光退火 258
5.3 结构设计 271
5.3.1 周期性结构膜层 271
5.3.2 缓冲过渡层 277
5.3.3 基底预处理 278
5.4 双激光沉积技术 279
5.4.1 双激光沉积双层膜 279
5.4.2 双激光沉积掺杂膜 284
5.5 同步双脉冲沉积技术 290
5.5.1 双脉冲同步延时沉积 291
5.5.2 激光辐照等离子体沉积 294
参考文献 296
第6章 脉冲激光沉积类金刚石膜工程化研究 301
6.1 PLD系统的工程化应用 304
6.1.1 多功能设计 306
6.1.2 产业化设计 324
6.2 大尺寸基底均匀镀膜 332
6.2.1 大尺寸平面 333
6.2.2 大尺寸球面 348
6.3 硫化锌窗口DLC增透保护膜 356
6.3.1 研究目标及方案设计 357
6.3.2 复合膜系(过渡层)设计 360
6.3.3 梯度掺杂DLC保护膜设计 366
6.3.4 硫化锌样品的综合性能 369
参考文献 372
第7章 脉冲激光沉积技术的应用及展望 374
7.1 脉冲激光沉积技术制备功能薄膜 374
7.1.1 透明导电氧化物薄膜 375
7.1.2 高温超导薄膜 381
7.1.3 铁性薄膜 386
7.1.4 金属薄膜 391
7.1.5 电化学薄膜 394
7.1.6 摩擦力学薄膜 398
7.1.7 光波导薄膜 401
7.1.8 其他功能薄膜 405
7.1.9 小结 409
7.2 脉冲激光沉积技术展望 410
7.2.1 超短脉冲与高重频激光 410
7.2.2 双/多激光沉积技术 411
7.2.3 结合其他沉积技术 412
7.3 激光等离子-原子层沉积系统 416
参考文献 417

晶体世界的奥秘：超硬材料的沉积艺术 在材料科学的浩瀚星空中，有一类物质以其近乎不可思议的硬度和卓越的物理化学性质，长久以来吸引着科学家的目光，并不断推动着技术革新的边界。它们是自然界的瑰宝，更是人类智慧的结晶。本书并非聚焦于某一种特定的超硬材料，而是将视角放宽，深入探索那些能够模拟自然界中最坚硬物质的“晶体世界”，以及如何通过精密的工程手段，在各种基底上“生长”出这些性能卓绝的薄膜。 我们即将踏上的旅程，将是一次关于“沉积艺术”的探索。这门艺术，是通过一系列先进的物理和化学方法，将原子或分子精确地排列，从而在材料表面构建出具有特定结构和功能的微观层。想象一下，如何在一个粗糙的表面上，一层一层地“雕刻”出拥有金刚石般硬度、闪耀着璀璨光芒的薄膜；或者如何赋予普通的金属以接近稀有宝石的耐磨损、耐腐蚀的特性。这不仅仅是技术的叠加，更是一门对物质微观世界的深刻理解和巧妙驾驭。 本书将带领读者穿越材料科学的迷人领域，领略不同类型超硬材料的魅力。我们将探究那些在极端环境下依然坚不可摧的材料，它们如何在高温、高压、强腐蚀等恶劣条件下保持其优异性能。我们将深入了解这些材料的原子结构，理解其硬度、导热性、绝缘性等关键物理性质的来源。这不仅仅是理论的探讨，更关乎实际应用的可能性，从航空航天到生物医学，从电子器件到能源技术，这些材料的潜力正在被不断挖掘。 沉积技术本身，便是本书探索的核心。我们将聚焦于那些能够实现精确原子尺度控制的先进沉积方法。这些方法，如同技艺精湛的工匠，能够按照预设的蓝图，将原子逐一安放到位，形成高度有序的晶体结构。我们并非仅仅罗列技术名称，而是将深入解析每种技术的原理，剖析其在沉积过程中涉及的物理化学过程，例如等离子体的产生与演化、物质的蒸发与传输、以及薄膜的成核与生长动力学。理解这些过程，是掌握沉积艺术的关键。 在了解了材料的本质和沉积的技艺后，我们将进一步探讨如何将这两者完美结合。如何选择合适的沉积方法来制备特定的超硬薄膜？如何优化工艺参数以获得理想的薄膜性能？这些都是我们在材料设计与制备过程中必须面对的挑战。本书将通过对不同材料体系和沉积工艺的案例分析，展示如何通过精心的调控，实现薄膜的结构、成分、厚度乃至表面形貌的精确控制。 当然，任何先进技术的应用都离不开对实际需求的深刻理解。本书还将展望这些超硬薄膜在各个前沿领域的应用前景。它们如何提升刀具的寿命，让切削更加精准高效？它们如何为电子设备提供更稳定的绝缘层和导电通路？它们又如何为医疗植入物提供更佳的生物相容性和耐腐蚀性？我们将展示这些高性能薄膜如何成为推动科技进步的重要力量。 这是一部关于材料科学、物理化学以及精密工程相结合的探索之作。它旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解如何从原子层面构建具有非凡性能的晶体薄膜，并激发对材料科学未来发展的无限想象。无论您是材料学领域的专业研究者，还是对前沿技术充满好奇的求知者，本书都将为您打开一扇通往晶体世界奥秘的大门。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就给我一种沉静而深邃的感觉，深蓝色为主调，点缀着金属质感的光斑，仿佛在诉说着纳米世界的精妙与神秘。翻开扉页，纸张的触感温润而厚实，散发着淡淡的书香，瞬间就将我带入了一个充满探索精神的学术殿堂。我一直对材料科学领域特别是薄膜技术抱有浓厚的兴趣，而“类金刚石膜”这个词汇更是像一块磁石，吸引着我的目光。我知道金刚石以其无与伦比的硬度、耐磨性和优异的光学、电学性能而闻名，而“类金刚石膜”，则意味着在某些性能上能够媲美甚至在特定应用领域超越天然金刚石，这本身就充满了技术挑战与科研的魅力。我特别好奇，这本书究竟是如何解析这种“类金刚石”的微观结构，又是通过怎样的“脉冲激光沉积”这种颇具未来感的技术手段来实现的。我迫切地想知道，在无数的实验数据和理论推导背后，究竟隐藏着怎样的科学原理，又是如何将这些原理转化为实际的制备工艺，最终诞生出这些性能卓绝的薄膜材料。这本书是否会深入浅出地介绍脉冲激光与材料相互作用的物理机制？是否会详细阐述不同脉冲激光参数（如波长、能量密度、脉冲宽度、重复频率）对薄膜成核、生长、结构演变的影响？这些都是我最想在书中找到答案的问题。

评分☆☆☆☆☆

在阅读这本书的过程中，我惊讶地发现，作者并没有止步于对基础科学原理的简单罗列，而是非常系统地展现了脉冲激光沉积（PLD）技术在制备类金刚石膜（DLC）过程中的复杂性和精妙之处。我尤其印象深刻的是关于“能量传输与物质激发”这一章节的论述，作者以极其详实的实验数据和理论模型，揭示了高能脉冲激光与靶材相互作用时，能量如何被吸收、转化为热能、形成等离子体羽流，以及等离子体羽流中的原子、分子、团簇是如何被加速并沉积到基底上，最终形成类金刚石结构的。这种深入到原子和分子层面的分析，让我对PLD技术的微观过程有了前所未有的清晰认识。同时，书中还详细讨论了不同激光波长（如紫外、可见光、红外）对等离子体特性和薄膜质量的影响，以及脉冲宽度对能量耦合效率和等离子体膨胀行为的调控作用。这些信息对于理解和优化PLD工艺至关重要，也让我看到了技术发展的巨大潜力和灵活性。我还在书中看到了关于不同靶材（如石墨、富勒烯、碳氢化合物等）在PLD过程中的表现差异，以及它们如何影响最终薄膜的成分和结构，这为我提供了宝贵的选择和参考。

评分☆☆☆☆☆

在我对脉冲激光沉积类金刚石膜技术有了初步了解后，这本书更是带我进入了更深层次的“科学前沿”。我看到了关于“先进表征技术”的介绍，作者并没有停留在传统的表征手段，而是详细阐述了诸如原子探针断层扫描（APT）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）配合能量色散X射线谱（EDX）等尖端技术，如何揭示DLC薄膜中纳米结构、晶界、缺陷的精细信息，以及它们与宏观性能之间的内在联系。这些深入的表征分析，让我看到了科学家们是如何通过不断挑战表征技术的极限，来理解材料的本质。此外，书中还探讨了“多层结构和梯度结构”的制备，这为功能集成和性能增强提供了新的思路。例如，如何设计具有不同sp2/sp3比例的层叠结构，以优化薄膜的硬度和韧性；如何制备具有梯度成分的DLC薄膜，以实现表面硬度与内部韧性的良好匹配。这些内容让我看到了DLC薄膜在未来高性能材料设计中的广阔前景。

评分☆☆☆☆☆

更让我惊喜的是，这本书并没有停留在对材料性能的描述，而是将视野拓展到了“应用领域”。我迫不及待地翻阅了关于各个应用方向的章节，它们以翔实的研究案例和数据支撑，生动地展示了脉冲激光沉积类金刚石膜的巨大潜力。从提高刀具的使用寿命、减少机械部件的磨损，到作为生物医学植入物的防腐蚀涂层，再到在光学元件上实现高反射率或低反射率涂层，以及在微电子领域作为栅极绝缘层或介电层……这些应用无一不让我感到振奋。书中对每个应用领域的介绍都非常深入，不仅阐述了类金刚石膜在其中的作用机制，还引用了大量的实验数据和性能对比，让我对不同应用场景下对类金刚石膜的具体要求有了清晰的认识。例如，在刀具涂层方面，书中详细比较了PLD DLC涂层与PVD DLC涂层在硬度、韧性、附着力等方面的差异，以及在不同切削条件下的性能表现，这让我对PLD技术在高性能工具制造方面的优势有了更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

我从这本书中获得的不仅仅是技术知识，更是一种“科学思维方式”的启迪。作者在阐述每一个概念时，都非常注重逻辑的严谨性和论证的充分性。他会追溯问题的起源，分析现有方法的局限性，然后提出新的解决方案，并用实验数据来验证其有效性。这种“问题导向”的研究思路，让我学会了如何更深入地思考问题，如何更有效地进行科学探究。书中对于“标准化与质量控制”的讨论，也让我印象深刻。在实际的工业应用中，如何确保DLC薄膜的质量稳定性和一致性是至关重要的。书中详细介绍了各种检测和认证体系，以及如何通过严格的质量控制流程来保证产品的可靠性。这让我看到了科学研究成果如何转化为实际的生产力，并最终服务于社会。我从中体会到了，真正的科技创新，不仅在于提出新想法，更在于如何将这些想法转化为可控、可重复、可规模化的生产力。

评分☆☆☆☆☆

令我意想不到的是，这本书还为我打开了“理论模型与仿真模拟”的窗口。在深入理解PLD过程和DLC薄膜特性后，书中详细介绍了如何利用第一性原理计算（如密度泛函理论DFT）、分子动力学模拟（MD）等计算方法，来预测和解释DLC薄膜的结构、性质以及PLD过程中的动力学行为。这些理论工具，极大地拓展了我们对材料的认识边界，也为实验设计提供了重要的指导。例如，如何通过理论计算来预测不同碳键的结合能，从而解释DLC薄膜的硬度；如何通过MD模拟来研究等离子体羽流在基底上的弛豫过程，从而理解薄膜的成核机制。书中还探讨了如何结合实验数据和仿真结果，构建更加精确的材料设计模型，这为“材料基因组计划”等前沿研究提供了坚实的基础。我深切感受到，理论与实验的紧密结合，是推动材料科学发展的重要驱动力。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最深的感受是，它是一部“面向未来”的著作。在介绍完脉冲激光沉积类金刚石膜技术的现状后，书中还展望了未来的发展趋势和潜在的应用领域。例如，如何进一步提高DLC薄膜的硬度、韧性和耐磨性，以应对更严苛的应用环境；如何开发新型的PLD设备，实现更高效、更环保的制备过程；如何将DLC薄膜与其他功能材料相结合，创造出具有更多附加功能的复合材料。书中还提到了“智能化”和“自动化”在PLD技术中的应用，例如利用机器学习和人工智能来优化工艺参数，实现生产过程的自动化控制。这些前瞻性的思考，让我看到了脉冲激光沉积类金刚石膜技术所蕴含的巨大潜力和光明前景，也激发了我对未来科技发展的无限憧憬。这本书不仅仅是一本技术手册，更是一本关于科学探索、创新驱动和面向未来的思想启迪之作，它将激励我在未来的学习和研究中，不断追求卓越，勇于探索未知。

评分☆☆☆☆☆

这本书的宏观视角和微观细节的结合做得非常出色。在讨论完PLD的基本原理之后，它并没有急于进入具体的应用，而是花费了相当大的篇幅来探讨“类金刚石膜”本身的特性。我看到了关于类金刚石膜的结构表征，包括各种晶体学分析技术（如X射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜）如何揭示其无定形或纳米晶体结构，以及sp2和sp3碳键的比例如何决定其宏观性能。书中对硬度、杨氏模量、摩擦系数、耐磨性、介电常数、光学透过率等关键物理性质的详细阐述，让我对这种材料有了全面的认识。特别吸引我的是关于“内在应力”的分析，我知道薄膜材料的应力往往是限制其应用的关键因素，书中详细探讨了PLD过程中应力的来源，以及如何通过工艺参数来控制和优化应力，这一点对于实际工程应用至关重要。我也看到了关于表面形貌控制的讨论，高平整度的类金刚石膜在光学和微电子领域有着广泛的应用，书中介绍了如何通过调整PLD参数来获得不同粗糙度和形貌的薄膜，这让我看到了实现精密制造的希望。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事方式非常吸引人，它并没有采用枯燥乏味的教科书式讲解，而是通过大量生动的“研究案例”和“实验数据”来驱动读者进行思考。我沉浸在那些关于解决具体工程难题的故事中，例如如何通过PLD DLC涂层来解决航空发动机涡轮叶片在高温高压环境下的磨损问题，或者如何利用其优异的生物相容性和耐腐蚀性来延长人工关节的使用寿命。书中详细记录了每一个案例的研究背景、实验设计、关键结果和结论，让我仿佛置身于科研现场，亲身体验了科学探索的艰辛与乐趣。我特别欣赏书中对于“失败案例”的讨论，作者并没有回避实验中的困难和挫折，而是坦诚地分析了原因，并从中吸取教训。这种“实事求是”的态度，对于任何从事科研工作的人来说，都是极其宝贵的。它让我明白，科学研究并非一帆风顺，而是充满了挑战与试错的过程，而正是这些过程，推动着我们不断前进。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我称道的地方在于，它并非一本单纯的理论书籍，而是蕴含了丰富的“实践指导”意义。在讲述了PLD原理和类金刚石膜特性之后，书中花费了大量篇幅来探讨“工艺优化与参数控制”。我看到了关于等离子体密度、温度、组分对薄膜生长的影响，以及如何通过调整激光功率、靶材与基底的距离、背景气体压力、基底温度、偏压等参数来精确调控薄膜的微观结构和宏观性能。书中还介绍了如何进行“原位监测”，例如利用光谱诊断、晶体振荡器等技术，实时监测PLD过程，并根据监测结果进行反馈控制，以获得更稳定、更可重复的薄膜质量。对于实验室研究人员和工程技术人员来说，这些信息简直是无价之宝。我尤其关注关于“基底选择与预处理”的部分，书中详细分析了不同基底材料（如金属、陶瓷、玻璃、聚合物）的特点，以及它们在PLD过程中的兼容性，并提供了有效的预处理方法，以提高薄膜的附着力和界面性能。