Лазерная абляция: различия между версиями
[непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
РобоСтася (обсуждение | вклад) |
|||
(не показаны 23 промежуточные версии 13 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
{{другие значения|Абляция}} |
{{другие значения|Абляция}} |
||
'''Ла́зерная абля́ция''' ({{lang-en|laser ablation}}) |
'''Ла́зерная абля́ция''' ({{lang-en|laser ablation}}) — метод удаления вещества с поверхности [[лазер]]ным импульсом. При низкой мощности лазера вещество [[Испарение|испаряется]] или [[Сублимация (физика)|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 [[десорбция|десорбцией]]''). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микровзрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся [[Плазма|плазмы]] вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами ([[аэрозоль|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 [[Аналитическая химия|аналитической химии]] и [[Геохимия|геохимии]] для прямого локального и послойного анализа образцов (непосредственно без [[Пробоподготовка|пробоподготовки]]). При лазерной абляции небольшая часть поверхности образца переводится в состояние плазмы, а затем она анализируется, например, методами [[Атомно-эмиссионная спектроскопия|эмиссионной]] или [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрии]]. Соответствующими методами анализа твёрдых проб являются [[лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия]] (ЛИЭС; [[Английский язык|''анг''.]] [[:en:Laser induced breakdown spectroscopy|LIBS или LIPS]]) и лазерно-искровая масс-спектрометрия (ЛИМС). В последнее время быстро развивается метод ЛА-ИСП-МС ([[Индуктивно-связанная плазма в масс-спектрометрии|масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой]] и лазерной абляцией), при котором анализ производится путём переноса продуктов лазерной абляции (аэрозоля) в [[Индуктивно-связанная плазма|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 [[элементный анализ|элементного анализа]] (см. [[аналитическая химия]]). |
Лазерная абляция используется в [[Аналитическая химия|аналитической химии]] и [[Геохимия|геохимии]] для прямого локального и послойного анализа образцов (непосредственно без [[Пробоподготовка|пробоподготовки]]). При лазерной абляции небольшая часть поверхности образца переводится в состояние плазмы, а затем она анализируется, например, методами [[Атомно-эмиссионная спектроскопия|эмиссионной]] или [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрии]]. Соответствующими методами анализа твёрдых проб являются [[лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия]] (ЛИЭС; [[Английский язык|''анг''.]] [[:en:Laser induced breakdown spectroscopy|LIBS или LIPS]]) и лазерно-искровая масс-спектрометрия (ЛИМС). В последнее время быстро развивается метод ЛА-ИСП-МС ([[Индуктивно-связанная плазма в масс-спектрометрии|масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой]] и лазерной абляцией), при котором анализ производится путём переноса продуктов лазерной абляции (аэрозоля) в [[Индуктивно-связанная плазма|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 [[элементный анализ|элементного анализа]] (см. [[аналитическая химия]]). |
||
Строка 9: | Строка 9: | ||
== Терминология == |
== Терминология == |
||
Термин лазерная абляция широко используется в научной литературе в таких областях как, получение тонких |
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 {{lang-la|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 является междисциплинарным |
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 |
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: |
Главными характерными особенностями лазерной абляции являются следующие: |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
== Преимущества метода == |
== Преимущества метода == |
||
Лазерная абляция применяется в разнообразных областях: |
Лазерная абляция применяется в разнообразных областях: |
||
* пробоотбор для анализа вещества (LIBS, LA ISP OES, LA ICP MS) |
* пробоотбор для анализа вещества (LIBS, LA ISP OES, LA ICP MS) |
||
* обработка деталей (micromachining) |
* обработка деталей (micromachining) |
||
* получение тонких |
* 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 |
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: |
К преимуществам метода относятся: |
||
* высокая скорость осаждения (> 10<sup>15</sup> атом·см<sup> |
* высокая скорость осаждения (> 10<sup>15</sup> атом·см<sup>−2</sup>·с<sup>−1</sup>); |
||
* быстрый нагрев и охлаждение осаждаемого материала (до 10<sup>10</sup> К·с<sup> |
* быстрый нагрев и охлаждение осаждаемого материала (до 10<sup>10</sup> К·с<sup>−1</sup>), обеспечивающее образование метастабильных фаз; |
||
* непосредственная связь энергетических параметров излучения с кинетикой роста слоя; |
* непосредственная связь энергетических параметров излучения с кинетикой роста слоя; |
||
* возможность конгруэнтного испарения многокомпонентных мишеней; |
* возможность конгруэнтного испарения многокомпонентных мишеней; |
||
* строгая дозировка подачи материала, в том числе многокомпонентного с высокой температурой испарения; |
* 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. |
* 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 == |
== 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: |
||
⚫ | |||
⚫ | 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: |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
Каждый из этих этапов имеет решающее значение для физико-механических и химических параметров покрытия, а, следовательно, и медико-биологических эксплуатационных характеристик. |
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. |
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 == |
== История == |
||
Первые работы по исследованию лазерной абляции были проведены с момента появления лазеров в 1962 году в работе<ref>{{Статья|автор = F. Brech and L. Cross|заглавие = Optical Microemission Stimulated by a Ruby MASER|издание = Appl. Spectrosc.|год = 1962|номер = 16|страницы = |
Первые работы по исследованию лазерной абляции были проведены с момента появления лазеров в 1962 году в работе<ref>{{Статья|автор = F. Brech and L. Cross|заглавие = Optical Microemission Stimulated by a Ruby MASER|издание = Appl. Spectrosc.|год = 1962|номер = 16|страницы = 59—61}}</ref> . В большинстве работ в 1960-х были использованы лазерные импульсы микросекундной длительности. Для данного типа была создана тепловая модель, которая с высокой точностью описывала наблюдающиеся явления<ref>{{Книга|автор = E.N. Sobol|заглавие = Phase Transformations and Ablation in Laser-Treated solids|место = Michigan|издательство = Wiley|год = 1995|страницы = 332}}</ref> . 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<ref>{{Статья|автор = С.И. Анисимов, Б.С. Лукъянчук|заглавие = Избранные задачи теории лазерной абляции|издание = Успехи физических наук|год = 2002|номер = 127|страницы = 301}}</ref> |
||
== Динамика плазмы == |
== 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: |
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]]. |
|||
<br /> |
|||
# Расширение плазменного факела (длительность процесса несколько десятков наносекунд). От дальнейшего распределения абляционного материала в факеле плазмы может зависеть стехиометрия плёнки. |
|||
Расширение плазменного факела (длительность процесса несколько десятков наносекунд). От дальнейшего распределения абляционного материала в факеле плазмы может зависеть стехиометрия пленки. <br /> |
|||
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. |
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 |
Также динамка разлёта плазмы зависит от плотности мишени и её пористости. |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
== Технологически важные параметры ЛА == |
== Технологически важные параметры ЛА == |
||
⚫ | |||
⚫ | * 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. |
||
⚫ | * |
||
⚫ | |||
⚫ | * температура на поверхности — температура поверхности 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. |
||
⚫ | |||
* 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. |
* 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 |
На данный момент описаны три механизма роста плёнок, подходящие для ионно-плазменных вакуумных методов: |
||
* [[Механизм роста Вольмера — Вебера|Зародышевый механизм роста Вольмера-Вебера]]: реализуется на атомно гладких гранях совершенного кристалла, каковыми являются грани с малыми индексами Миллера. Рост |
* [[Механизм роста Вольмера — Вебера|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. |
||
* [[Механизм роста Франка — Ван дер Мерве|Послойный механизм роста Франка — |
* [[Механизм роста Франка — Ван дер Мерве|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 роста Странского — Крастанова|Механизм Странского-Крастанова]]: представляет собой промежуточный механизм роста. Он заключается в том, что сначала на поверхности идет рост по послойному механизму, |
* [[Механизм роста Странского — Крастанова|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 == |
== 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 |
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 см2), и вследствие этого небольшая площадь осаждения (~10 см2). 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. |
||
== См. также == |
== См. также == |
||
Строка 97: | Строка 89: | ||
== Ссылки == |
== Ссылки == |
||
* [http://prometeus.nsc.ru/archives/exhibit2/ablation.ssi Лазерная абляция и |
* [http://prometeus.nsc.ru/archives/exhibit2/ablation.ssi Лазерная абляция и её применение — выставка, подготовленная Отделением ГПНТБ СО РАН] |
||
* [http://www.gpi.ru/trudiof/Vol_67/page_79-98_67.pdf |
* [https://web.archive.org/web/20141204235750/http://www.gpi.ru/trudiof/Vol_67/page_79-98_67.pdf Роль лазерной абляции в физике селективного испарения компонентов] |
||
* [http://www.im.khv.ru/metod/LaserAblation.pdf |
* [http://www.im.khv.ru/metod/LaserAblation.pdf Лазерная абляция, электроискровое воздействие] |
||
* [http://www.physics-online.ru/PaperLogos/13441/files/Full_text_Russian_version.pdf Генерация наноструктур при лазерной абляции металлов в жидкостях:новые результаты] |
* [http://www.physics-online.ru/PaperLogos/13441/files/Full_text_Russian_version.pdf Генерация наноструктур при лазерной абляции металлов в жидкостях: новые результаты]{{Недоступная ссылка|date=2018-10|bot=InternetArchiveBot }} |
||
{{ВС}} |
|||
[[Категория:Лазерная физика]] |
[[Категория:Лазерная физика]] |
Текущая версия от 07:57, 25 июля 2024
Ла́зерная абля́ция (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 микровзрыв 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
[править | править код]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:
- связана с непосредственным поглощением энергии лазерного импульса в веществе;
- результатом является формирование плазменного облака;
- происходит на границе раздела конденсированной и газообразной (или вакуума) или жидкой фаз;
- имеет пороговый характер.
Преимущества метода
[править | править код]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
[править | править код]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
[править | править код]Первые работы по исследованию лазерной абляции были проведены с момента появления лазеров в 1962 году в работе[1] . В большинстве работ в 1960-х были использованы лазерные импульсы микросекундной длительности. Для данного типа была создана тепловая модель, которая с высокой точностью описывала наблюдающиеся явления[2] . 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[3]
Динамика плазмы
[править | править код]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.
Технологически важные параметры ЛА
[править | править код]Можно выделить основные важные технологические параметры ЛА, оказывающие влияние на рост, 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
[править | править код]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 см2), и вследствие этого небольшая площадь осаждения (~10 см2). 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.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ F. Brech and L. Cross. Optical Microemission Stimulated by a Ruby MASER // Appl. Spectrosc.. — 1962. — № 16. — С. 59—61.
- ↑ E.N. Sobol. Phase Transformations and Ablation in Laser-Treated solids. — Michigan: Wiley, 1995. — С. 332.
- ↑ С.И. Анисимов, Б.С. Лукъянчук. Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук. — 2002. — № 127. — С. 301.