Лазерная абляция (селективная очистка, спектроскопия поверхности, абляция под слоем жидкости, оптоакустика, лазерный пиннинг, формирование наночастиц и т.д.)

Электрические, магнитные, оптические и химические свойства наночастиц (или, в общем случае, структур, размеры которых лежат в нанометровом диапазоне) представляют значительный интерес как с точки зрения фундаментальных исследований, так и для технологических применений. Например, наночастицы кремния широко используются в фотонике, микроэлектронике, биомедицине и т.д. при создании солнечных элементов, сенсоров, флэш-памяти, солнцезащитных средств и во многих других случаях.

Среди множества методов синтеза наночастиц импульсная лазерная абляция (ИЛА) является эффективным и экологически чистым методом генерации полупроводниковых, металлических и даже органических наночастиц, отличающимся относительной простотой реализации. Вместе с тем, метод ИЛА позволяет контролировать распределение размеров, фазу наночастиц, получать сплавные и оболочечные наночастицы, меняя как параметры лазерного излучения, так и среду, в которой происходит воздействие (вакуум, газовая атмосфера, жидкие среды).

Одно из главных направлений деятельности лаборатории – лазерная абляция под слоем жидкости, данный метод позволяет получать наноматериалы с уникальными физико-химическими свойствами.

Еще один способ создания наночастиц основывается на различных эффектах самоорганизации островковой структуры пленок нанометровой толщины при воздействии лазерного излучения.

В лаборатории изучаются процессы формирования наночастиц диоксида титана, кремния, золота и серебра. Полученные наноструктуры исследуются методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, оптической и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, а также спектроскопии комбинационного рассеяния.

Важно отметить, что данные работы, как правило, имеют прикладной характер и направлены на получение результатов, важных с практической точки зрения (повышение эффективности солнечных элементов за счет наночастиц кремния, создание узкополосных оптических фильтров на основе серебряных наночастиц и др.).

  

Рисунок 1. Абляционный кратер, полученный при воздействии импульсного наносекундного лазера на кремний под слоем жидкости (слева) и наночастицы диоксида титана, полученные лазерной абляцией в жидкости (справа).

  

Рисунок 2. Исследование продуктов абляции кремниевой мишени фемтосекундными лазерными импульсами на воздухе (слева) и распад серебряной пленки (толщиной 62 нм) на наночастицы при облучении эксимерным лазером (λ= 193 нм) (справа).

Помимо генерации наночастиц абляция твердых тел ультракороткими импульсами (УКИ) является многообещающим методом для получения новых свойств поверхности. В наших работах был обнаружен эффект упрочнения приповерхностного слоя металлов и сплавов при абляции поверхности УКИ. Как было показано, давления, развиваемые абляционным факелом в данных условиях, могут достигать порядка сотен ГПа, что приводит к деформации кристаллической решетки и формированию упрочненного слоя глубиной около 1 мкм. Данный подход может служить альтернативой традиционным методам упрочнения поверхности металлов и сплавов.

Вместе с тем, исследование физических процессов при лазерной абляции является важной фундаментальной задачей, для этих целей в нашей лаборатории развивается фотоакустическая методика, позволяющая регистрировать ультразвуковые сигналы, возникающие при абляции твердых тел. Фотоакустический метод позволяет идентифицировать режимы лазерного воздействия: от плавления материала до его фазового взрыва и появления закритической лазерной плазмы. В частности, данный метод может быть использован для оценки давления абляционного факела на мишень при фемтосекундной лазерной абляции поверхности металлов.

Рисунок 3. (a) Схема экспериментальной установки; (b) микрофотография абляционного факела при фемтосекундном воздействии при F~0.9 Дж/см2; (c) микрофотография аблированной области титановой мишени: внешний ореол – режим откольной абляции (F>0.1 Дж/см2) и внутренняя область – режим фазового взрыва (F>0.23 Дж/см2); (d) типичная осциллограмма фотоакустического сигнала при плотности энергии фемтосекундного излучения F~4 Дж/см2. Фотоакустический сигнал имеет биполярную форму (показано стрелками), что соответствует случаю нахождения датчика в дальней зоне.

Рисунок 4. Рентгенофазный анализ исходной титановой мишени до и после её облучения фемтосекундными импульсами (F~6 Дж/см2). Вставка: (слева) увеличенное изображении линии рентгеновского спектра при 2θ~35°; (справа) In-depth variation of compressive residual stresses with the dashed line extrapolating this dependence to the surface. Изменение величины сжимающих напряжений по глубине и экстраполяция полученной зависимости (пунктирная прямая).

Э.И. Агеев, А.А. Петров, А.А. Самохвалов, В.П. Вейко