Фазово-структурные переходы в функциональных материалах под действием лазерного излучения

Развитие науки и техники в последние годы становится причиной появления разнообразных способов создания микро- и наноразмерных структур, а также изучения их свойств. Особое внимание уделяется изготовлению и локальной обработке материалов с заданными свойствами, которые в дальнейшем применяются для изготовления устройств и систем микроразмерной техники.  Такие функциональные материалы проектируются и изготавливаются с учетом условий дальнейшей их обработки и свойств конечных элементов в будущем устройстве. Примером подобных материалов являются фотоструктурируемые стекла, различные стеклокерамики и композиты с исходным аморфным или поликристаллическим состоянием структуры. Одним из наиболее распространенных и прецизионных способов обработки функциональных материалов являются лазерные технологии. Сфокусированный пучок лазерного излучения, выполняя функцию универсального инструмента, способен вызывать локальную модификацию структуры и свойств материала на его поверхности и в объеме. Частным случаем модификации являются лазерно-индуцированные фазовые переходы от аморфного состояния структуры к кристаллическому и обратно. Модификация структуры с сохранением исходной фазы материала также может быть достигнута воздействием лазерного излучения.  В обоих случаях локально изменяются физико-химические свойства материала, что активно применяется в различных приложениях.

 

Ключевая роль в микрообработке функциональных материалов отводится изучению механизмов изменения их структуры в поле лазерного излучения. Именно от этих изменений впоследствии зависит принцип работы конкретного элемента в микросистеме и всего устройства в целом. Изучая механизмы модификации структуры возможно, с одной стороны, предсказать конечный результат лазерной обработки материала с известными свойствами, а с другой – разработать новый материал под конкретные задачи с использованием существующих источников лазерного излучения. В обоих случаях конечным результатом такой обработки становится получение микро- и наноразмерных структур с новыми свойствами, отличными от свойств исходного материала.

 

Для быстрых фазовых переходов в объеме фотоструктурируемого стекла сотрудниками кафедры ЛТС было предложено использовать комбинированную обработку лазерным излучением двух длин волн. Формирование локальных направленных микродефектов, инициируемых сверхкороткими лазерными импульсами пико- и фемтосекундной длительности, на которых при одновременном или последующем воздействии излучения СО2 лазера осуществляется кристаллизация. Локальные дефекты, выполняющие функцию центров кристаллизации, позволяют осуществлять кристаллизацию не на поверхности ФС – в с зоне СО2-лазерного облучения, а в области расположения дефекта, сократив при этом длительность стадии фазовых переходов с 6-9 часов до 10-40 мин. Также возможна вторичная аморфизация ранее закристаллизованных областей в объеме материала с восстановлением всех его первоначальных свойств, в том числе, светочувствительности. Реализация управления фазово-структурными переходами позволяет осуществлять не только контроль глубины залегания, размеров и формы создаваемых областей, но и контроль степени их кристаллизации и состава кристаллической фазы.

 

Формирование локальных областей кристаллизации различных форм и размеров применяется в технологиях изготовления устройств микро- и оптофлюидики, газоанализаторов и пневмоники на фотоструктурируемом стекле. Такие устройства позволяют эффективно и более полно исследовать биохимические и физические процессы, протекающие в замкнутых пространствах и в ограниченно малых объемах. Например, химические микрореакторы и биочипы находят широкое применение в микробиологии, вирусологии, фармакологии и медицине.

Модификация структуры с сохранением исходной фазы применяется при изготовлении элементов различных микрооптических и интегральных систем в фотонике и плазмонике. С помощью подобных устройств становится возможным проведение высокоточных спектральных исследований, а также оптическая регистрация сигналов и их преобразование. В общем случае лазерные способы фазово-структурных переходов в функциональных материалах зарекомендовали себя, как высокопроизводительные технологии изготовления микроаналитических систем и лабораторий на чипе для различных приложений.

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий