12.11.2020

Лазерная абляция


Лазерная абляция (англ. laser ablation) — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом. При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма, обычно в данном случае тёмная, не светящаяся (этот режим часто называется лазерной десорбцией). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами (аэрозоля). Режим лазерной абляции иногда также называется лазерной искрой (по аналогии с традиционной электрической искрой в аналитической спектрометрии, см. искровой разряд).

Лазерная абляция используется в аналитической химии и геохимии для прямого локального и послойного анализа образцов (непосредственно без пробоподготовки). При лазерной абляции небольшая часть поверхности образца переводится в состояние плазмы, а затем она анализируется, например, методами эмиссионной или масс-спектрометрии. Соответствующими методами анализа твёрдых проб являются лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС; анг. LIBS или LIPS) и лазерно-искровая масс-спектрометрия (ЛИМС). В последнее время быстро развивается метод ЛА-ИСП-МС (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией), при котором анализ производится путём переноса продуктов лазерной абляции (аэрозоля) в индуктивно-связанную плазму и последующим детектированием свободных ионов в масс-спектрометре. Перечисленные методы относятся к группе методов аналитической атомной спектрометрии и к более общей совокупности методов элементного анализа (см. аналитическая химия).

Метод лазерной абляции применяется для определения концентраций как элементов, так и изотопов. Он конкурирует с ионным зондом. Последний требует значительно меньший анализируемый объем, но, как правило, гораздо дороже.

Лазерная абляция также применяется для тонкой технической обработки поверхностей и нанотехнологии (например, при синтезе одностенных углеродных нанотрубок).

Терминология

Термин «лазерная абляция» широко используется в научной литературе в таких областях как, получение тонких плёнок, лазерном пробоотборе и обработке материалов. В физической литературе термин «абляция» (от лат. «ablatio» — отнятие) обозначает совокупность сложных физико-химических процессов, результатом которых является удаление вещества с поверхности раздела фаз. Согласно значению латинского корня можно использовать данный термин для описания любого удаления вещества. В связи с этим под термином «лазерная абляция» в широком смысле понимают процесс удаления вещества под действием лазерного излучения, включая удаление как испарённого материала, так и летучих продуктов химического травления.

В литературе можно встретить и чрезмерно узкое толкование термина, когда под абляцией понимают процесс удаления вещества, вызванный разрушением химических связей и образованием свободных молекул, атомов и ионов под действием света. Следует отметить, что термин «абляция» является междисциплинарным и появился в литературе задолго до появления лазеров. Так его использовали для описания процесса удаления вещества при воздействии на образец металла электрического разряда, потока горячего газа, плазмы. Под термином «абляционная защита» в космонавтике и авиации понимают способ эффективного снижения перегрева элементов фюзеляжа за счёт отбора теплоты на плавление и испарение слоя специального защитного материала. В дополнение следует заметить, что этот термин используется в геологии и гляциологии для обозначения уменьшения массы ледника или снега в результате таяния и испарения.

Большинство исследователей под термином «лазерная абляция» понимают процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом, при котором происходит процесс плавления, испарения или сразу сублимации с образованием паров и низкотемпературной плазмы; обычно данные процессы также сопровождаются разлётом частиц и капель исходного вещества.

Главными характерными особенностями лазерной абляции являются следующие:

  • лазерная абляция связана с непосредственным поглощением энергии лазерного импульса в веществе;
  • результатом лазерной абляции является формирование плазменного облака;
  • лазерная абляция происходит на границе раздела конденсированной и газообразной (или вакуума) или жидкой фаз;
  • лазерная абляция имеет пороговый характер.
  • Преимущества метода

    Лазерная абляция применяется в разнообразных областях:

    • пробоотбор для анализа вещества (LIBS, LA ISP OES, LA ICP MS)
    • обработка деталей (micromachining)
    • получение тонких плёнок, в том числе новых материалов (PLD)

    Лазерное парофазное осаждение (ЛПА или PLD — pulsed laser deposition) — это процесс быстрого плавления и испарения материала мишени в результате воздействия на него высокоэнергетического лазерного излучения, с последующим переносом в вакууме распылённого материала от мишени к подложке и его осаждения.

    К преимуществам метода относятся:

    • высокая скорость осаждения (> 1015 атом·см−2·с−1);
    • быстрый нагрев и охлаждение осаждаемого материала (до 1010 К·с−1), обеспечивающее образование метастабильных фаз;
    • непосредственная связь энергетических параметров излучения с кинетикой роста слоя;
    • возможность конгруэнтного испарения многокомпонентных мишеней;
    • строгая дозировка подачи материала, в том числе многокомпонентного с высокой температурой испарения;
    • агрегация в кластеры разного размера, заряда и кинетической энергии (10 — 500 эВ), позволяющая проводить селекцию с помощью электрического поля для получения определённой структуры осаждаемой плёнки.

    Описание метода

    Подробное описание механизма ЛА является очень сложным, сам механизм включает процесс абляции материала мишени с лазерным облучением, развитие плазменного факела с содержанием ионов и электронов с высокой энергией, а также кристаллический рост самого покрытия на подложке. Процесс ЛА в целом можно разделить на четыре этапа:

  • взаимодействие лазерного излучения с мишенью — абляция материала мишени и создание плазмы;
  • динамика плазмы — её расширение;
  • нанесение материала на подложку;
  • рост плёнки на поверхности подложки.
  • Каждый из этих этапов имеет решающее значение для физико-механических и химических параметров покрытия, а, следовательно, и медико-биологических эксплуатационных характеристик.

    Удаление атомов из объема материала осуществляется испарением массы вещества на поверхность. Происходит первоначальная эмиссия электронов и ионов покрытия, процесс испарения по своей природе является чаще всего термическим. Глубина проникновения лазерного излучения в этот момент зависит от длины волны лазерного излучения и показателя преломления материала мишени, а также пористости и морфологии мишени.

    История

    Первые работы по исследованию лазерной абляции были проведены с момента появления лазеров в 1962 году в работе . В большинстве работ в 1960-х были использованы лазерные импульсы микросекундной длительности. Для данного типа была создана тепловая модель, которая с высокой точностью описывала наблюдающееся явления . Развитие лазерной техники привело к тому что, в начале 80-х большинство работ по лазерной абляции выполнялось с помощью лазерных импульсов наносекундного диапазона. В следующее десятилетие все большие развитие получили исследования пикосекундной лазерной абляции. В последние 20 лет широкое развитие получило применения лазеров с фемтосекундной длительностью импульса

    Динамика плазмы

    На втором этапе плазма материала расширяется параллельно нормали поверхности мишени к подложке из-за кулоновского отталкивания. Пространственное распределение факела плазмы зависит от давления внутри камеры. Зависимость формы факела от времени может быть описана в два этапа:

  • Струя плазмы узкая и направлена вперед от нормали к поверхности (длительность процесса несколько десятков пикосекунд), практически не происходит рассеяния, не нарушается стехиометрия.
  • Расширение плазменного факела (длительность процесса несколько десятков наносекунд). От дальнейшего распределения абляционного материала в факеле плазмы может зависеть стехиометрия плёнки.
  • Плотность факела может быть описана как зависимость cosn(х), близкая к гауссовой кривой. Дополнительно к остронаправленному пиковому распределению, наблюдается второе распределение, описываемое зависимостью cosΘ [43, 46]. Эти угловые распределения отчётливо указывают, что унос материала является комбинацией различных механизмов. Угол разлёта плазмы не зависит прямо от плотности мощности и характеризуется, главным образом, средним зарядом ионов в плазменном потоке. Увеличение лазерного потока даёт более высокую степень ионизации плазмы, более острый плазменный поток с меньшим углом разлёта. Для плазмы с ионами заряда Z=1 — 2 угол разлёта составляет Θ=24 ÷ 29°. Нейтральные атомы, главным образом, осаждаются на краю плёночного пятна, тогда как ионы с высокой кинетической энергией осаждаются в центре. Для того, чтобы получить однородные плёнки, край плазменного потока должен быть экранирован. Кроме угловой зависимости скорости осаждения наблюдаются определённые вариации в стехиометрическом составе испарённого материала в зависимости от угла Θ при осаждении многокомпонентных плёнок. Остронаправленное пиковое распределение сохраняет стехиометрию мишени, тогда как широкое распределение является нестехиометрическим. Как следствие, при лазерном осаждении многокомпонентных плёнок всегда существуют стехиометрические и нестехиометрические компоненты в плазменном потоке в зависимости от угла осаждения.

    Также динамка разлёта плазмы зависит от плотности мишени и её пористости.

    Для мишеней из одинакового материала, но разной плотности и пористости временные интервалы разлёта плазмы различны.

    Показано, что скорость абляции вдоль распространения лазерного излучения в пористом веществе в (1.5-2) раза превышает теоретические и экспериментальные результаты для скорости абляции в твердом веществе, описать режим и материал.

    Технологически важные параметры ЛА

    Можно выделить основные важные технологические параметры ЛА оказывающие влияние на рост и физико-механические и химические свойства плёнок при нанесении материала на подложку:

    • параметры лазера — факторы от которых в основном зависит плотность энергии (Дж/см2). Энергия и скорость абляционных частиц зависит от плотности энергии лазера. От этого в свою очередь зависит степень ионизации абляционного материала и стехиометрия плёнки, а также скорость осаждения и роста плёнки.
    • температура на поверхности — температура поверхности оказывает большое влияние на плотность нуклеации (первая по времени наступления стадия фазового перехода, образование основного числа устойчиво растущих частиц новой, стабильной фазы). Как правило, плотность нуклеации уменьшается с повышением температуры подложки. Так же от температуры подложки может зависеть шероховатость покрытия.
    • состояние поверхности подложки — зарождение и рост покрытия зависит от состояния поверхности: предварительная обработка(химическая обработка, наличие или отсутствие оксидной плёнки и т. д.), морфологии и шероховатости поверхности, наличие дефектов.
    • давление — от рабочего давления в камере системы напыления зависит плотность нуклеации, и как следствие морфология и шероховатость покрытия, а также параметры давления оказывают влияние на стехиометрию поверхности. Так же возможно перераспыление материала с подложки обратно в камеру при некоторых параметрах лазера и давления.

    На данный момент описаны три механизма роста плёнок, подходящие для ионно-плазменных вакуумных методов:

    • Зародышевый механизм роста Вольмера-Вебера: реализуется на атомно гладких гранях совершенного кристалла, каковыми являются грани с малыми индексами Миллера. Рост плёнок в этом случае происходит через начальное образование двухмерных или трехмерных зародышей, в дальнейшем разрастающихся в сплошную плёнку на поверхности подложки.
    • Послойный механизм роста Франка — Ван дер Мерве: реализуется при наличии на поверхности подложки ступеней, источником которых является, в частности, естественная шероховатость граней с большими индексами Миллера. Эти грани представляются в виде совокупности атомных ступеней, образованных участками плотноупакованных поскостей с малыми индексами Миллера.
    • Механизм Странского-Крастанова: представляет собой промежуточный механизм роста. Он заключается в том, что сначала на поверхности идет рост по послойному механизму, затем после образования смачивающего слоя (толщиной в один или несколько моноатомных слоев) происходит переход к островковому механизму роста. Условием реализации такого механизма является значительное (в несколько процентов) рассогласование постоянных решетки осаждаемого материала и материала подложки.

    Минусы метода

    Метод лазерной абляции имеет определённые трудности, связанные с получением плёнок веществ, слабо поглощающих (оксиды различных веществ) или отражающих (ряд металлов) лазерное излучение в видимой и близкой ИК-области спектра. Существенным недостатком метода является низкий коэффициент использования материала мишени, поскольку его интенсивное испарение происходит из узкой зоны эрозии, определяемой размером фокального пятна (~10-2 см2), и вследствие этого небольшая площадь осаждения (~10см2). Значение коэффициента полезного использования материала мишени при лазерном напылении составляет 1 — 2 % и менее. Образование кратера в зоне эрозии и его углубление изменяет пространственный угол разлёта вещества, вследствие чего ухудшается однородность плёнок, как по толщине, так и по составу, а также выводит мишень из строя, что особенно характерно для высокочастотного напыления (частота следования импульсов порядка 10 кГц). Повышение однородности плёнок и увеличения срока службы мишени требует использования скоростной системы (~1 м/с) плоскопараллельного сканирования мишени, что позволяет избежать перекрытия соседних фокальных пятен, и вследствие этого локального перегрева мишени и образования на ней глубоких кратеров, что, однако существенно усложняет конструкцию внутрикамерного устройства и сам процесс напыления.


    Похожие новости:

    Яценко, Леонид Петрович

    Яценко, Леонид Петрович
    Леонид Петрович Яценко — украинский физик действительный член Национальной академии наук Украины, директор Института физики НАН Украины. Биография Родился 25 апреля 1954 года в селе Степановка

    Трансэпителиальная фоторефракционная кератэктомия

    Трансэпителиальная фоторефракционная кератэктомия
    Трансэпителиальная фоторефракционная кератэктомия англ. Transepithelial photorefractive keratectomy (трансФРК; англ. TransPRK, англ. T-PRK) — методика эксимерлазерной коррекции зрения, при которой

    Особенности лазерной резки

    Особенности лазерной резки
    Из всех способов обработки металла в данный момент наиболее технологичным и передовым считается лазерная резка. В основе технологии лежит мощное воздействие на обрабатываемую поверхность материала

    Способы оптимизации микроклимата (часть 4)

    Способы оптимизации микроклимата (часть 4)
    Особенно перспективным направлением в ветеринарии является применение низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) местно или путем воздействия на биологически активные точки для стимуляции
    Комментариев пока еще нет. Вы можете стать первым!

    Добавить комментарий!

    Ваше Имя:
    Ваш E-Mail:
    Введите два слова, показанных на изображении: *
    Популярные новости
    Советы Окна Райв: Стоит ли установить пластиковые окна самостоятельно
    Советы Окна Райв: Стоит ли установить пластиковые окна самостоятельно
    Качественные пластиковые окна могут влететь вам в копеечку, и денег на их установку, вполне...
    Виды материалов, применяемых для изолирования трубопроводов. Преимущества полимерно-битумной ленты «Литкор НК ГАЗ»
    Виды материалов, применяемых для изолирования трубопроводов. Преимущества полимерно-битумной ленты «Литкор НК ГАЗ»
    Что такое полимерно-битумная лента? Для чего они применяются? Какие преимущества у ленты "Литкор НК...
    Недорогие печи Лиговъ - качественная российская продукция
    Недорогие печи Лиговъ - качественная российская продукция
    Оснащенные «подовым горением» печи-камины стала выпускать компания «Лиговъ». От «колосниковых»...
    Камины Астов (Astov) - российская продукция премиум-класса
    Камины Астов (Astov) - российская продукция премиум-класса
    Камины устанавливаются в загородных домах и квартирах все чаще. Ассоциации они вызывают обычно...
    Что стоит принять во внимание прежде, чем вступить в СРО строителей
    Что стоит принять во внимание прежде, чем вступить в СРО строителей
    Вступление в СРО строителей в наше время – дело необходимое. Членство поможет повысить качество...
    Виды окон ПВХ и их преимущества
    Виды окон ПВХ и их преимущества
    В конце девяностых годов прошлого века в нашей стране появились пластиковые окна. Они сразу же...
    Особенности проведения отделки балкона
    Особенности проведения отделки балкона
    Балкон — это особое пространство квартиры, которое отличается небольшими квадратными метрами и...
    Все новости