Laser ablaatio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 31. tammikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .

Laserablaatio on menetelmä  aineen poistamiseksi pinnalta laserpulssilla . Pienellä laserteholla aine haihtuu tai sublimoituu vapaiden molekyylien, atomien ja ionien muodossa, eli säteilytetyn pinnan yläpuolelle muodostuu heikko plasma , yleensä tässä tapauksessa tumma, ei-valaava (tätä tilaa kutsutaan usein laseriksi desorptio ). Kun laserpulssin tehotiheys ylittää ablaatiomoodin kynnyksen, tapahtuu mikroräjähdys, jossa näytteen pinnalle muodostuu kraatteri ja hehkuva plasma sekä laajenevat kiinteät ja nestemäiset hiukkaset ( aerosoli ). Laserablaatiotilaa kutsutaan joskus myös laserkipinäksi (samanlainen kuin perinteinen sähkökipinä analyyttisessä spektrometriassa, katso kipinäpurkaus ).

Laserablaatiota käytetään analyyttisessä kemiassa ja geokemiassa näytteiden suoraan paikalliseen ja kerros-kerrosanalyysiin (suoraan ilman näytteen valmistelua ). Laserablaatiossa pieni osa näytteen pinnasta siirretään plasmatilaan, jonka jälkeen se analysoidaan esimerkiksi emissio- tai massaspektrometrialla . Sopivia menetelmiä kiinteiden näytteiden analysointiin ovat laserkipinäemissiospektrometria (LIES; eng . LIBS tai LIPS ) ja laserkipinämassaspektrometria (LIMS). Viime aikoina on nopeasti kehittynyt LA-ICP-MS-menetelmä ( induktiivisesti kytketty plasmamassaspektrometria laserablaatiolla), jossa analyysi suoritetaan siirtämällä laserablaatiotuotteita (aerosolia) induktiivisesti kytkettyyn plasmaan ja sen jälkeen havaitsemalla vapaita ioneja massaspektrometri. Luetellut menetelmät kuuluvat analyyttisen atomispektrometrian menetelmien ryhmään ja yleisempään alkuaineanalyysimenetelmien joukkoon (katso analyyttinen kemia ).

Laserablaatiomenetelmää käytetään sekä alkuaineiden että isotooppien pitoisuuksien määrittämiseen . Se kilpailee ioni-anturin kanssa. Jälkimmäinen vaatii paljon pienemmän analysoitavan määrän, mutta on yleensä paljon kalliimpaa.

Laserablaatiota sovelletaan myös hienoteknisessä pintakäsittelyssä ja nanoteknologiassa (esimerkiksi yksiseinäisten hiilinanoputkien synteesissä ).

Terminologia

Termiä laserablaatio käytetään laajalti tieteellisessä kirjallisuudessa esimerkiksi ohutkalvon tuotannossa, lasernäytteenotossa ja materiaalinkäsittelyssä. Fysikaalisessa kirjallisuudessa termi ablaatio ( latinan sanasta  ablatio "poisto") tarkoittaa joukkoa monimutkaisia ​​fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja, joiden tuloksena on aineen poistaminen rajapinnalta. Latinalaisen juuren merkityksen mukaan tätä termiä voidaan käyttää kuvaamaan mitä tahansa aineen poistamista. Tältä osin termi laserablaatio laajassa merkityksessä viittaa prosessiin, jossa ainetta poistetaan lasersäteilyn vaikutuksesta, mukaan lukien sekä haihtuneen materiaalin että haihtuvien kemiallisten syövytystuotteiden poistaminen.

Käsitteestä löytyy myös liian suppea tulkinta kirjallisuudesta, kun ablaatiolla tarkoitetaan kemiallisten sidosten tuhoutumisen ja vapaiden molekyylien, atomien ja ionien muodostumisen aiheuttamaa prosessia valon vaikutuksesta. On huomattava, että termi ablaatio on monitieteinen ja ilmestyi kirjallisuudessa kauan ennen laserien tuloa. Joten sitä käytettiin kuvaamaan aineen poistamisprosessia, kun metallinäyte altistetaan sähköpurkaukselle, kuumalle kaasuvirtaukselle tai plasmalle. Termi ablatiivinen suoja astronautiikassa ja ilmailussa ymmärretään keinona vähentää tehokkaasti rungon elementtien ylikuumenemista ottamalla lämpöä sulaa ja haihduttamalla erityistä suojamateriaalia. Lisäksi on huomattava, että tätä termiä käytetään geologiassa ja glasiologiassa kuvaamaan jäätikön tai lumen massan vähenemistä sulamisen ja haihtumisen seurauksena.

Useimmat tutkijat termillä laserablaatio ymmärtävät lasersäteilyn vuorovaikutusprosessin aineen kanssa, jossa sulamis-, haihtumis- tai välitön sublimaatioprosessi tapahtuu höyryjen ja matalan lämpötilan plasman muodostuessa; Yleensä näihin prosesseihin liittyy myös alkuperäisen aineen hiukkasten ja pisaroiden laajeneminen.

Laserablaation tärkeimmät ominaispiirteet ovat seuraavat:

1. liittyy laserpulssienergian suoraan absorptioon aineessa;
2. tuloksena on plasmapilven muodostuminen;
3. esiintyy kondensoituneen ja kaasufaasin (tai tyhjiö) tai nestefaasin rajapinnassa;
4. on kynnys.

Edut

Laserablaatiota käytetään useilla aloilla:

• näytteenotto aineanalyysiä varten (LIBS, LA ISP OES, LA ICP MS)
• osien käsittely (mikrotyöstö)
• ohuiden kalvojen tuotanto, mukaan lukien uudet materiaalit (PLD)

Laserhöyrypinnoitus (LPD tai PLD  - pulssilaserpinnoitus) on prosessi, jossa kohdemateriaali sulaa ja haihtuu nopeasti altistuessaan korkeaenergiselle lasersäteilylle, minkä jälkeen sputteroitu materiaali siirtyy kohteesta substraatille. tyhjiö ja sen laskeutuminen.

Menetelmän etuja ovat:

• korkea kerrostumisnopeus (> 10 15 atomi cm -2 s -1 );
• kerrostetun materiaalin nopea lämmitys ja jäähdytys (1010 K s −1 asti ), mikä varmistaa metastabiilien faasien muodostumisen;
• suora yhteys säteilyn energiaparametrien ja kerrosten kasvun kinetiikan välillä;
• monikomponenttisten kohteiden yhdenmukaisen haihtumisen mahdollisuus;
• tiukka materiaalin annostelu, mukaan lukien monikomponenttinen materiaali, jolla on korkea haihtumislämpötila;
• aggregaatio erikokoisiksi, varauksiksi ja kineettisiksi energioiksi (10–500 eV) oleviksi klusteriksi, mikä mahdollistaa valinnan sähkökentän avulla tietyn rakenteen saamiseksi kerrostuneelle kalvolle.

Menetelmän kuvaus

LA-mekanismin yksityiskohtainen kuvaus on hyvin monimutkainen, itse mekanismi sisältää kohdemateriaalin ablaatioprosessin lasersäteilytyksellä, korkeaenergisiä ioneja ja elektroneja sisältävän plasmapilven kehittämisen sekä pinnoitteen kidekasvun. itse alustalle. LA-prosessi kokonaisuudessaan voidaan jakaa neljään vaiheeseen:

1. lasersäteilyn vuorovaikutus kohteen kanssa - kohdemateriaalin ablaatio ja plasman luominen;
2. plasmadynamiikka - sen laajeneminen;
3. materiaalin levittäminen alustalle;
4. kalvon kasvu alustan pinnalle.

Jokainen näistä vaiheista on kriittinen pinnoitteen fysikaalis-mekaanisille ja kemiallisille parametreille ja siten biolääketieteelliselle suorituskyvylle.

Atomien poisto materiaalin tilavuudesta tapahtuu haihduttamalla aineen massa pintaan. Pinnoitteen elektronien ja ionien alkuemissio tapahtuu, haihtumisprosessi on luonteeltaan useimmiten termistä. Lasersäteilyn tunkeutumissyvyys tällä hetkellä riippuu lasersäteilyn aallonpituudesta ja kohdemateriaalin taitekertoimesta sekä kohteen huokoisuudesta ja morfologiasta.

Historia

Ensimmäiset laserablaation tutkimustyöt tehtiin laserien tulon jälkeen vuonna 1962 [1] . Suurin osa 1960-luvun töistä käytti mikrosekunnin laserpulsseja. Tälle tyypille luotiin lämpömalli, joka kuvasi havaitut ilmiöt suurella tarkkuudella [2] . Lasertekniikan kehitys johti siihen, että 80-luvun alussa suurin osa laserablaatiotyöstä tehtiin nanosekunnin laserpulsseilla. Seuraavalla vuosikymmenellä pikosekundin laserablaation tutkimus sai yhä vauhtia. Viimeisten 20 vuoden aikana on kehitetty laajalti femtosekunnin pulssikestoisten laserien käyttöä [3]

Plasmadynamiikka

Toisessa vaiheessa materiaalin plasma laajenee kohdepinnan normaalin suuntaisesti substraattiin Coulombin repulsion ansiosta. Plasmapilven tilajakauma riippuu kammion sisällä vallitsevasta paineesta. Liekin muodon riippuvuus ajasta voidaan kuvata kahdessa vaiheessa:

1. Plasmasuihku on kapea ja suunnattu eteenpäin normaalista pintaan (prosessin kesto on useita kymmeniä pikosekunteja), sirontaa ei käytännössä ole, eikä stoikiometriaa rikota .
2. Plasmapolttimen laajennus (prosessin kesto on useita kymmeniä nanosekunteja). Kalvon stoikiometria voi riippua ablaatiomateriaalin edelleen jakautumisesta plasmasuihkussa.

Suihkutiheyttä voidaan kuvata cosn(x)-riippuvuutena, joka on lähellä Gaussin käyrää. Erittäin suunnatun huippujakauman lisäksi havaitaan toinen jakauma, jota kuvaa riippuvuus cosΘ [43, 46]. Nämä kulmajakaumat osoittavat selvästi, että materiaalin mukana kulkeutuminen on yhdistelmä erilaisia ​​mekanismeja. Plasman laajenemiskulma ei suoraan riipu tehotiheydestä ja sille on ominaista pääasiassa plasmavirtauksen keskimääräinen ionivaraus. Laservirtauksen lisääminen antaa korkeamman plasma-ionisaatioasteen, terävämmän plasmavirtauksen pienemmällä laajenemiskulmalla. Plasmalle, jossa on varausioneja Z=1 - 2, laajenemiskulma on Θ=24 ÷ 29°. Neutraalit atomit kerrostuvat pääasiassa kalvopisteen reunalle, kun taas ionit, joilla on korkea liike-energia, kerrostuvat keskelle. Homogeenisten kalvojen saamiseksi plasmavirtauksen reuna on suojattava. Saostusnopeuden kulmariippuvuuden lisäksi haihdutetun materiaalin stoikiometrisessä koostumuksessa havaitaan tiettyjä vaihteluita kulmasta Θ monikomponenttisten kalvojen pinnoituksen aikana. Terävästi suunnattu huippujakauma säilyttää kohteen stoikiometrian, kun taas laaja jakauma on ei-stoikiometrinen. Tämän seurauksena monikomponenttisten kalvojen laserpinnoituksen aikana plasmavirtauksessa on aina stökiömetrisiä ja ei-stoikiometrisiä komponentteja kerrostuskulmasta riippuen.

Plasman laajenemisen dynamiikka riippuu myös kohteen tiheydestä ja sen huokoisuudesta.

Kohteilla, jotka on valmistettu samasta materiaalista, mutta joilla on eri tiheys ja huokoisuus, plasman laajenemisaikavälit ovat erilaiset.

On osoitettu, että ablaationopeus pitkin lasersäteilyn etenemistä huokoisessa aineessa on (1,5-2) kertaa suurempi kuin teoreettiset ja kokeelliset tulokset ablaationopeudelle kiinteässä aineessa.

Lentokoneen teknisesti tärkeät parametrit

On mahdollista erottaa LA:n tärkeimmät tärkeät teknologiset parametrit, jotka vaikuttavat kalvojen kasvuun, fysikaalisiin, mekaanisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin materiaalin kerrostamisen aikana alustalle:

• laserparametrit - tekijät, joista energiatiheys (J / cm2) pääasiassa riippuu. Ablatiivisten hiukkasten energia ja nopeus riippuvat laserin energiatiheydestä. Tämä puolestaan ​​määrää ablaatiomateriaalin ionisaatioasteen ja kalvon stoikiometrian sekä kerrostumisnopeuden ja kalvon kasvun.
• pinnan lämpötila - pintalämpötilalla on suuri vaikutus ytimien tiheyteen (faasisiirtymän ensimmäinen vaihe alkamisajan suhteen, uuden, vakaan faasin tasaisesti kasvavien hiukkasten päämäärän muodostuminen). Ydinmuodostustiheys yleensä pienenee substraatin lämpötilan noustessa. Pinnoitteen karheus voi riippua myös alustan lämpötilasta.
• alustan pinnan tila - pinnoitteen ytimtyminen ja kasvu riippuu pinnan tilasta: esikäsittely (kemiallinen käsittely, oksidikalvon läsnäolo tai puuttuminen jne.), pinnan morfologia ja karheus, pinnan esiintyminen vikoja.
• paine — ytimien tiheys riippuu ruiskutusjärjestelmän kammion käyttöpaineesta, ja sen seurauksena pinnoitteen morfologia ja karheus sekä paineparametrit vaikuttavat pinnan stoikiometriaan. On myös mahdollista ruiskuttaa materiaali uudelleen alustasta takaisin kammioon tietyillä laser- ja paineparametreilla.

Tähän mennessä on kuvattu kolme kalvon kasvumekanismia, jotka soveltuvat ioni-plasma-tyhjiömenetelmiin:

• Volmer-Weber-bakteerin kasvumekanismi : toteutetaan täydellisen kiteen atomisesti sileillä pinnoilla, jotka ovat pinnat, joilla on matala Miller-indeksi. Kalvon kasvu tapahtuu tässä tapauksessa kaksi- tai kolmiulotteisten ytimien alun muodostumisen kautta, jotka myöhemmin kasvavat jatkuvaksi kalvoksi substraatin pinnalle.
• Frank-Van der Merwe kerros kerrokselta kasvumekanismi toteutuu alustan pinnalla olevien askelmien läsnä ollessa, joiden lähde on erityisesti suurten Miller-indeksien pintojen luonnollinen karheus. Nämä kasvot esitetään joukkona atomiaskeleita, jotka muodostuvat tiiviisti pakattujen tilojen alueista, joilla on alhainen Miller-indeksi.
• Stranski-Krastanov-mekanismi : on kasvun välimekanismi. Se koostuu siitä tosiasiasta, että ensin kasvu tapahtuu pinnalla kerros kerrokselta -mekanismilla, sitten kostutuskerroksen muodostumisen jälkeen (yhden tai useamman monoatomisen kerroksen paksuus) tapahtuu siirtymä saaren kasvumekanismiin. . Edellytyksenä tällaisen mekanismin toteuttamiselle on merkittävä (useita prosentteja) epäsopivuus kerrostetun materiaalin ja substraattimateriaalin hilavakioiden välillä.

Menetelmän haitat

Laserablaatiomenetelmällä on tiettyjä vaikeuksia saada kalvoja aineista, jotka absorboivat heikosti (eri aineiden oksidit) tai heijastavat (useat metallit) lasersäteilyä näkyvällä ja lähellä IR-spektrialueella. Menetelmän merkittävä haittapuoli on kohdemateriaalin alhainen käyttökerroin, koska sen voimakas haihtuminen tapahtuu polttopisteen koon (~10 cm2) määräämältä kapealta eroosiovyöhykkeeltä ja sen seurauksena pienestä kerrostumisalueesta. (~ 10 cm2). Kohdemateriaalin hyötysuhteen arvo laserpinnoituksen aikana on 1–2 % tai vähemmän. Kraatterin muodostuminen eroosiovyöhykkeelle ja sen syveneminen muuttaa aineen avaruudellista laajenemiskulmaa, minkä seurauksena kalvojen tasaisuus heikkenee sekä paksuudeltaan että koostumukseltaan ja myös estää kohteen, mikä on erityisen tyypillistä. korkeataajuuksinen kerrostuminen (pulssin toistotaajuus luokkaa 10 kHz) . Filmien tasaisuuden parantaminen ja kohteen käyttöiän pidentäminen edellyttää nopean (~1 m/s) kohteen tasorinnakkaispyyhkäisyn käyttöä, mikä mahdollistaa vierekkäisten polttopisteiden päällekkäisyyden välttämisen. ja sen seurauksena kohteen paikallinen ylikuumeneminen ja syvien kraatterien muodostuminen sen päälle, mikä kuitenkin vaikeuttaa merkittävästi kammion sisäistä suunnittelua ja itse pinnoitusprosessia.

Katso myös

• Spektroskopia
• Spektroskooppiset menetelmät
• Kvantitatiivinen analyysi
• Päästöspektri

Muistiinpanot

1. ↑ F. Brech ja L. Cross. Ruby MASERin stimuloima optinen mikroemission // Appl. Spectrosc.. - 1962. - Nro 16 . - S. 59-61 .
2. ↑ FI Sobol. Laserkäsiteltyjen kiinteiden aineiden faasimuutokset ja ablaatio. - Michigan: Wiley, 1995. - s. 332.
3. ↑ S.I. Anisimov, B.S. Lukjanchuk. Laserablaation teorian valikoidut ongelmat // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 2002. - Nro 127 . - S. 301 .

Linkit

• Laserablaatio ja sen sovellus - Venäjän tiedeakatemian Siperian sivuliikkeen valtion julkisen tieteellisen ja teknisen kirjaston osaston laatima näyttely
• Laserablaation rooli komponenttien valikoivan haihdutuksen fysiikassa
• Laser ablaatio, sähkökipinä vaikutus
• Nanorakenteiden syntyminen nesteiden metallien laserablaation aikana: uusia tuloksia  (pääsemätön linkki)

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)