Лазерная абляция, генерация и функционализация наночастиц металлов и полупроводников

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 технологического применения. Например, наночастицы кремния широко используются в большом количестве различных областей: солнечные элементы, датчики, флэш-память, солнцезащитные средства, различные применения в фотонике и биомедицине.

Лазерная абляция является уникальным и на сегодняшний день широко применяемым методом в микро- и нанотехнологиях. Среди множества методов синтеза наночастиц импульсная лазерная абляция является эффективным и экологически чистым методом для создания 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.).

 

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

 

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 появлению закритической лазерной плазмы. В частности, данный метод может использоваться для оценки давления абляционного факела на мишень при фемтосекундной лазерной абляции поверхности металлов.

(a) Schematic of the experimental arrangement; (b) optical side view image of ablative plume at F~0.9 J/cm2; (c) optical image of the ablated Ti-alloy surface with outer spallation (F>0.1 J/cm2) and inner phase-explosion (F>0.23 J/cm2) regions; (d) the typical oscillogram of the ultrasonic transients at F~4 J/cm2 with the transit time Ttr and amplitude Ptr. The pulses, succeeding the primary bipolar pulse (shown by the arrows), represent echo-pulses in the transducer.

X-ray diffraction angular plots for the initial and fs-laser ablated (F~6 J/cm2) Ti-alloy surface spots. Insets: (left) the magnified view of the line at 2θ~35° for these surface spots; (right) In-depth variation of compressive residual stresses with the dashed line extrapolating this dependence to the surface.

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