авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая

Григорьевича Столетовых»

УДК 544.032.65;

537.533.35;

644.2

№ госрегистрации 01201169480

Инв.№

УТВЕРЖДАЮ Проректор по научной работе доцент, к. т. н. С.Г. Мосин _ “” сентября 2011 г.

М.П.

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ «Проведение исследований с применением уникальной установки упорядоченного нанострутурирования объектов фемтосекундным излучением»

по теме:

«Анализ существующих методов и методик синтеза наноструктурированных материалов при интенсивном лазерном воздействии»

(промежуточный) Этап первый «2011-07-1.8-518-003-098»

Государственный контракт от «12» мая 2011г. № 16.518.11. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса на 2007-2012 годы»

Научный руководитель, д.ф.-м.н., профессор _ С.М. Аракелян г. Владимир 2011 г.

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Научный руководитель, Аракелян С.М.

д.ф.м.н., профессор кафедры ФиПМ (разделы 1-7) Исполнители профессор кафедры ФиПМ, д.ф.-м.н. Прокошев В.Г.

(разделы 3-7) Абрамов Д.В.

доцент кафедры ФиПМ, к.-ф.-м.н.

(раздел 7) Алоджанц А.П.

профессор кафедры ФиПМ, д.ф.-м.н.

(раздел 6) Антипов А.А.

инженер ИНОЦ (раздел 6) Баринов В.В.

вед.электроник кафедры ФиПМ (раздел 1) Баринов И.О.

инженер кафедры ФиПМ, аспирант (раздел 4) Герке М.Н.

доцент кафедры ФиПМ (разделы 4-5) Горудко Т.Н.

инженер кафедры ФиПМ (раздел 2) Григорьев А.В.

инженер кафедры ФиПМ, аспирант (раздел 7) Жирнова С.В.

ст.преподаватель кафедры ФиПМ (раздел 3) Зорова Т.Ю.

инженер кафедры ФиПМ (раздел 1) Коробко С.С.

инженер кафедры ФиПМ (раздел 2) Кутровская С.В.

м.н.с. кафедры ФИПМ (раздел 4) доцент кафедры ФиПМ, к.ф.-м.н. Кучерик А.О.

(разделы 3-4) Лексин А.Ю.

доцент кафедры ФиПМ, к.-ф.-м.н (раздел 4) аспирант кафедры ФиПМ Ногтев Д.С.

(раздел 5) Осипов А.В.

м.н.с. кафедры ФиПМ, аспирант (раздел 5) Прохоров А.В.

доцент кафедры ФиПМ, к.-ф.-м.н.

(разделы 4-5) аспирант кафедры ФиПМ Хорьков К.С.

(разделы 1-2) Реферат Отчет 94 с., 7 ч., 733 рис., 3 табл., 22 источника, 2 прил.

Ключевые слова: УНИКАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО, ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННАЯ ПЛАЗМА, ЛАЗЕРНАЯ АБЛЯЦИЯ, НЕПРЕРЫВНОЕ И ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ФЕМТОСЕКУНДНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, НАНОСТРУКТУРЫ, АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ, СКАНИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ.

Научно-исследовательские цели работы: получение новых знаний и результатов в области управляемого лазерного синтеза наноструктурированных материалов при воздействии коротких и сверкоротких импульсов.

Научно-организационные цели проекта:

Обеспечение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, проводимых организациями Российской Федерации, с предоставлением им возможнорсти использования методов научных исследований, разработанных и осовенных для уникальной установки упорядоченного наноструктурирования объектов фемтосекундным излучением.

Привлечение талантливой молодежи к участию в перспективных научных исследованиях по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалов».

В ходе выполнения первого этапа проекта в 2011 году были выполнены следующие работы: проведен анализ научно-технической литературы;

проведены патентные исследования;

определены направление исследований и способы решения поставленных задач;

проведены исследования наноструктурированных поверхностей методами электронной и зондовой микроскопии.

В результате экспериментальных исследований по проекту была создана экспериментальная схема синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени УКИ с длительностью 50-100 фс. После воздействия область взаимодействия лазерного излучения с веществом на поверхности мишени и область осаждения удаленных с поверхности частиц исследовались методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии на зондовой нанолаборатории Интегра-СПЕКТРА и сканирующем электронном микроскопе Quanta 200 3D. На поверхности мишеней при лазерном воздействии были обнаружены субмикронные и наноструктуры, свойства которых зависят от режима воздействия и вида материала мишени.

Полученные результаты представляют практический интерес в плане проведения фундаментальных научных исследований и подготовки специалистов высокого класса в области лазерной физики, лазерных и лазерно-информационных технологий, современных нанотехнологий.

Оглавление Введение...................................................................................................................................................... 1. Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме................................................................................ 2. Выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач.................................................................................................................................. 3. Проведение патентных исследований............................................................................................ 4. Разработка экспериментальной схемы синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени УКИ с длительностью 50- фс. 4.1. Описание фемтосекундной Ti:SP лазерной системы и схемы эксперимента.......................... 4.2. Описание фемтосекундной Yb:KGW лазерной системы и схемы эксперимента................... 4.3. Описание зондовой нанолаборатории ИНТЕГРА Спектра....................................................... 5. Исследование физико-механических свойств формируемых наноструктурированных плёнок и покрытий, определение оптимальных режимов воздействия.............................................................. 5.1. Тонкие плёнки титана.................................................................................................................... 5.2. Тонкие плёнки никеля................................................................................................................... 5.3. Тонкие углеродосодержащие плёнки.......................................................................................... 6. Разработка технологии синтеза тонких пленок............................................................................. 6.1. Описание метода формирования наноструктурированных покрытий при осаждении продуктов плазменного факела, возбужденного лазерным излучением с фемтосекундной длительностью импульсов................................................................................................................... 7. Обеспечение проведения исследований для сторонних организаций с использованием УСУ Заключение................................................................................................................................................ Список использованных источников...................................................................................................... Приложение 1. Отчет о патентных исследованиях………………………………………………….... Приложение 2. Метод формирования наноструктурированных покрытий при осаждении продуктов плазменного факела, возбужденного лазерным излучением с фемтосекундной длительностью импульсов …………………………………………………………………………….. Введение  В настоящем отчете отражены результаты работ по проекту «Проведение исследований с использованием уникальных стендов и установок в области наносистем и материалов», выполняемому в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

В настоящее время выполнен первый этапа, определенный государственным контрактом.

В рамках данного этапа «Анализ существующих методов и методик синтеза наноструктурированных материалов при интенсивном лазерном воздействии»

проведен патентный поиск по способам формирования наносруктурированных покрытий, наносруктурированных материалов при лазерном воздействии.

Определено направление научных исследований с использованием потенциала уникальной системы установок упорядоченного наноструктурирования объектов фемтосекундным излучением - получение наноструктурированных образцов с применением мощного фемтосекундного излучения как на самих твердотельных мишенях, так и в продуктах конденсации на подложки, а равно и исследование таких структур. На основе проведенного анализа научной и технической литературы предложена экспериментальная схема синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени УКИ с длительностью 50-100фс, разработаны технологии синтеза тонких пленок. С помощью методов зондовой и электронной микроскопий осуществлены экспериментальные исследования физико-механических свойств формируемых наноструктурированных пленок и покрытий. Обеспечено проведение исследований для сторонних организаций с использованием УСУ.

1. Анализ  научно­технической  литературы,  нормативно­технической  документации  и  других  материалов,  относящихся  к  разрабатываемой  теме.  С изобретением лазера практически сразу стало понятно, что сфокусированное импульсное излучение представляет собой мощный инструмент воздействия на самые различные материалы. За 50 лет пройден путь от первого пробитого отверстия в лезвии бритвы до впечатляющих современных технологий.

Сегодня число различных публикаций на тему взаимодействия интенсивных пучков света с веществом не поддается точному определению.

Одним из актуальных направлений исследования является применение лазерного излучения в области нанотехнологий. Многочисленные работы наглядно показывают, что лазерный подход открывает самые широкие возможности для получения и исследования наноструктурированных материалов. Схематически взаимодействие лазерного импульса с мишенью показано ниже (по материалам работ [1.1], [1.2]):

a b c d Рис. 1.1. Последовательность физических явлений при облучении твёрдой поверхности в прозрачной среде (например, жидкость) лазерными импульсами с плотностью энергии 10 100 Дж см 2 : (a) - поглощение энергии;

(b) - формирование плазмы и ударной волны;

(c) газовый пузырь максимального объёма, конденсация паров;

(d) - окончательная релаксация.

Любой из рассмотренных физических процессов может быть использован как для целенаправленной управляемой обработки поверхности так и для генерирования малоразмерных частиц.

В современной литературе совокупность рассматриваемых процессов принято называть лазерной абляцией. Данный термин является междисциплинарным и трактуется весьма различно авторами научных работ. Примем определение, по которому согласно [1.3] под лазерной абляцией подразумевается процесс разрушения твёрдого вещества, аналогичный испарению или сублимации, обычно осложняемый наличием конденсированной фазы в продуктах такого разрушения.

Поэтому можно выделить следующие характерные черты данного процесса:

- абляция напрямую связана с поглощением лазерного излучения материалом облучаемой мишени;

- абляция может протекать как в вакууме, так и в инертной среде;

- итогом абляции является формирование парогазового/ пароплазменного облака продуктов разрушения.

Второй пункт данного определения исключает из абляции рассмотрение процессов химического травления, стимулированных лазерным излучением. В англоязычной литературе принят термин "laser-induced chemical etching". Однако для полноты рассмотрения задачи наноструктурирования поверхности при лазерном воздействии эти процессы и технологии также будут рассмотрены, ибо они представляют несомненный интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и решения прикладных задач.

Наночастицы с характерными размерами 2 1000нм являются коллоидами.

Метод получения таких наночастиц с применением описанной методики в сравнении с другими подходами обладает целым рядом преимуществ:

- по отношению к искровым технологиям проводящие свойства мишени не играют роли;

- данный метод принципиально обеспечивает получение самого чистого конечного продукта, ибо никакие иные вещества (кроме мишени и жидкости) в данном процессе не используются. Основной недостаток - дороговизна применяемого оборудования и низкая, по сравнению с чисто химическими технологиями, производительность.

Типичные схемы экспериментов по получению коллоидных частиц представлены на рис. 1.2.:

Рис. 1.2. Эксперимент с вертикально расположенной мишенью [1.4.].

и рис. 1.3.:

Рис. 1.3. Эксперимент с горизонтально расположенной мишенью [1.5.].

Результат типичного эксперимента по получению золотых наночастиц приведен на рис. 1.4.

a b Рис. 1.4. TEM изображения результатов диспергирования золота лазерными импульсами различной длительности (a) - 7 нс ;

(b) - 100фс. По данным [1.6].

Разумеется, что по схемам рис. 1.2. и 1.3 могут получаться и более сложные структуры, не сводящиеся к коллоидным частицам. Ниже дан пример гидротермального роста нанокристаллов оксида цинка.

Рис.1.5. Колончатые кристаллы ZnO с характерными диаметрами около 200нм, полученные импульсным облучением цинка в воде при T 80 C (по данным [1.7]).

Весьма показательны результаты, полученные в работе [1.11], приведенные ниже:

a b c Рис. 1.6. Эволюция структур на поверхности титана с увеличением числа лазерных импульсов от 10 (а) до 100 (b) и 600 (c) при абляции в воде.

Особое место среди обсуждаемых технологий занимают методы нанесения тонких слоёв и покрытий. Можно выделить группу алмазоподобых плёнок, имеющих большое прикладное значение. Схема установки для получения таких покрытий (по данным [1.8]) показана ниже:

Рис. 1.7. Получение алмазоподобных покрытий из жидкофазных мишеней (высоковязкое вакуумное масло с низким давлением насыщенных паров).

Как уже было сказано, следует отдельно остановиться на методиках модификации твердотельной мишени, связанных с протеканием химических реакций на её поверхности, инициированных лазерным излучением. Лазерное облучение приводит к нагреву и в общем случае плавлению/испарению материала мишени. В этом случае возможны самые различные химические процессы с участием продуктов мишени и окружающей прозрачной среды. Типичная схема возможного эксперимента схематически показана на рис. 1.7. Здесь иллюстрируется возможность размерной обработки такого химически инертного полимера, как тефлон, за счёт протекания следующей химической реакции:

H2O + [CF2]n + h(193 nm) [CFOH]n + HF при которой становится возможным отрыв атомов фтора от скелета молекулы и замещение его гидроксильной группой.

Рис. 1.8. Фотохимическая реакция на поверхности диэлектрика под действием ультрафиолетового излучения эксимерного ( 193нм ) лазера (по данным [1.9]).

Прекрасным примером прикладного использованием обсуждаемой методики может служить работа [1.10], где для микро/наноразмерной обработки подложек из нитрида галлия используется их лазерно-индуцированное травление в растворе HCl.

Схема обработки соответствует представленной на рис. 1.3. В результате на подложке GaN формируется 2D массив отверстий диаметром 320нм. Такое «перфорирование» подложки позволяет существенно улучшить параметры голубых светодиодов за счёт повышения эффективности вывода излучения из полупроводниковой структуры.

Однако следует отметить, что самой распространённой экспериментальной схемой изучения процессов абляции является схема, когда подвергаемый воздействию образец находится в газовой атмосфере или же в вакууме. Несмотря на предельную простоту исследований, проводимых в свободной атмосфере, получаемые результаты представляют значительный интерес.

При облучении ультракороткими импульсами на поверхности самых различных материалов формируется характерная наноструктура:

Рис. 1.9. Наноструктуры на поверхности кремния (по данным [1.12]).

Образование подобной структуры вызвано интерференцией возбуждающей волны и поверхностной электромагнитной волны.

Переход к вакууму хотя и требует дополнительного оборудования, в то же самое время сильно упрощает интерпретацию полученных результатов. Ибо в данном случае отсутствуют сложные физико-химические процессы взаимодействия разлетающихся продуктов реакции с атмосферными газами. А такое взаимодействие, с одной стороны, резко ограничивает длину свободного пробега частиц плазменного факела, а с другой – приводит к химическим реакциям (чаще всего – окислительного типа), существенного меняющим химический состав осаждённого продукта. Например, одной из первых работ по лазерной генерации углеродных наноструктур в вакууме была работа [1.13]. В обсуждаемом случае наибольший интерес вызывают наноструктуры, образованные продуктами абляции, сконденсировавшимися на холодной подложке в вакуумной камере. Типичный результат такого осаждения показан ниже:

Рис. 1.10. Углеродные наноструктуры, образованные на подложке в вакууме (по данным [1.13]).

2. Выбор и обоснование принятого направления исследований и способов  решения поставленных задач  Процессы, возникающие при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердотельной мишенью, условно продемонстрированы на рис. 2.1.

Рис.2.1. Взаимодействие фемтосекундного интенсивного лазерного излучения с твердотельной мишенью.

В металлических мишенях лазерное излучение поглощается “газом” свободных электронов за счет обратного тормозного рассеяния. Излучение, падающее на поверхность образца, экспоненциально ослабляется вглубь вещества в соответствии с законом Ламберта-Бэра:

где I0(t) – плотность мощности падающего излучения, R – коэффициент отражения поверхности, – коэффициент поглощения, x – расстояние от поверхности вглубь мишени.

Электронная температура, вследствие малой теплоемкости газа свободных электронов растет практически без задержки относительного действия лазерного импульса. Процесс передачи энергии от электронов к решетке происходит значительно медленнее, что связано с большой разницей между массами электрона и иона. Это означает, что во время действия лазерного импульса поглощенная энергия накапливается в электронной подсистеме, и преобладает процесс электронной теплопроводности. Электроны плазмы, появляющиеся вследствие поглощения энергии сверхкоротких лазерных импульсов, нагреваются за время воздействия до температур Te ~ 100 1000эВ. Характерные времена электрон решеточной релаксации составляют 10 100пс для различных металлов.

Процесс отвода энергии вглубь мишени можно разделить на три последовательные стадии:

1. Стадия столкновительной релаксации сильно неравновесных возбужденных электронов. Диффузия горячих электронов предполагает существование некоторой электронной температуры, установившейся путем столкновений возбужденных электронов с электронами, находящимися вблизи уровня Ферми. Поэтому время трансформации изначально сильно зависит от энергии возбуждения и от концентрации частиц вблизи уровня Ферми. Характерные времена столкновительной релаксации таких возбужденных электронов составляют 1 10фс.

2. Вторая стадия характеризуется равновесным распределением электронов по энергиям и диффузии “горячих” электронов вглубь мишени, регулируемой температурным градиентом. Подсистема “горячих” электронов охлаждается путем электрон-фононного взаимодействия, интенсивность которого ограничивает диффузию.

3. Этап диссипации энергии вследствие термодиффузии после достижения баланса температур между электронами и решеткой.

Таким образом, после того, как температура электронов устанавливается, применима двухтемпературная модель, которая выглядит следующим образом:

где Сe, Cl – теплоемкости подсистемы электронов и решетки, Ke, Kl – коэффициенты теплопроводности для подсистемы электронов и решетки соответственно, Te, Tl – температуры электронов и решетки, S(z,t) – член, задающий объемный источник тепла и описывающий поглощение энергии лазерного излучения электронами проводимости металла, g - коэффициент характеризующий скорость энергообмена между электронами и решеткой.

При задании параметров лазерного импульса (формы и интенсивности) получается система уравнений, моделирующая процесс лазерного нагрева металлов от момента начала облучения до момента электрон-решеточной релаксации.

Для анализа термодинамического состояния расплава необходимо определить давление насыщенных паров под поверхностью расплава, которое рассчитывается по уравнению Клапейрона-Клаузиуса:

где Lv – теплота испарения (сублимация) на один атом (молекулу), Tb – температура кипения при давлении p0 = 105 Па.

После выравнивания температур электронов и решетки решаются две системы уравнений: при вырождении двухтемпературной модели в обыкновенное уравнение теплопроводности для конденсированного вещества и в случае достижения порога абляции, решается система уравнений Эйлера, дополненная уравнением состояния Мартынюка и соответствующим калорическим уравнением.

Высокая скорость ввода энергии в плазму приводит к нестационарности нагрева плазмы. В случае сверхкоротких импульсов удается реализовать прямое взаимодействие высокоинтенсивного лазерного излучения с плазмой твердотельной плотности, и главную роль начинает уже играть степень размытости границы плазма – вакуум, определяющая эффективность различных механизмов бесстолкновительного поглощения.

После передачи лазерной энергии мишени, может произойти абляция вещества мишени. При облучении мишени неподвижным лазерным пучком в мишени образуется кратер. Глубина кратера, образованного ультракоротким импульсом с энергией близкой к порогу абляции ( I 1014 1015 Вт см2 для импульса длительностью tи ~ 50фс [2.1]) является величиной, по порядку равной глубине скин слоя. Для плотностей энергий, не сильно превышающих порог абляции, глубина кратера растет по логарифмическому закону с увеличением плотности энергии воздействующего лазерного импульса:

ls F d ln 2 Fth Где ls - глубина скин-слоя, F- плотность энергии падающего лазерного излучения, Fth -пороговая плотность энергии.

Выше были рассмотрены основные моменты взаимодействия материальной среды с излучением проводящих материалов. Однако физические процессы, связанные с воздействием сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения, протекают одинаково в диэлектриках и металлах, с разницей в том, что плотность свободных электронов с течением времени в металле можно считать постоянной, в отличие от плотности свободных носителей заряда в диэлектрике.

При интенсивностях теряется различие между металлами и I 1015 Вт см диэлектриками, и взаимодействие лазерного излучения с твердотельными мишенями носит универсальный характер.

Использование фемтосекундных импульсов для обработки материалов различного типа от металлов до диэлектриков с широкой энергетической щелью даёт определённые преимущества по сравнению с более длинными импульсами. Это связано с тем, что на временных масштабах порядка нескольких пикосекунд теплопроводность и газодинамический отклик материала на действие лазерного импульса пренебрежимо малы (см. [2.2]). Поэтому энергия лазерного излучения локализуется в небольшой области, размерами которой можно управлять. Кроме того, удаление вещества с поверхности мишени происходит после окончания действия лазерного импульса, что автоматически исключает эффект экранирования лазерного излучения плазмой факела, что в свою очередь позволяет минимизировать потери энергии. Вследствие этого абляция облучаемых материалов начинается при более низких интенсивностях, чем при использовании более длинных импульсов, когда заметная доля энергии лазерного импульса поглощается плазмой лазерного факела и уходит вглубь мишени за счёт теплопроводности.

Также, за время действия фемтосекундного лазерного импульса не происходит плавления вещества мишени, в отличие от пикосекундных и наносекундных импульсов.

Канал в стали, образованный фемтосекундными импульсами и имеющий правильную конусообразную форму, продемонстрирован на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Фотография канала в стали, сформированного фемтосекундным излучением Ti-sapphire см 2. Глубина канала 1 см, входной диаметр ~750 мкм, лазера с плотностью энергии 3.6 Дж выходной ~100 мкм Разумеется, природа абляционных процессов зависит от материала мишени (состав, микроструктура, термодинамические и оптические свойства) и состава окружающей среды, но наибольшее влияние оказывают характеристики лазерного излучения: интенсивность, длительность импульса, длина волны, число импульсов и т.п. В связи с многообразием протекающих при этом процессов описание лазерной абляции требует объединения знаний из различных областей физики и химии. В определенных диапазонах лазерных параметров, например, в области коротких импульсов и высоких интенсивностей, фундаментальные физические механизмы лазерной абляции до конца не понятны. Высокие скорости нагрева и охлаждения, возможность сканирования сфокусированного излучения, как по поверхности, так и в объёме позволяют проводить определённые операции обработки на воздухе.

Термохимические процессы, развивающиеся при этом в паровой фазе, в определённых режимах облучения могут оказать существенное влияние на результат лазерной абляции.

Лазерная абляция и последующие перенос и конденсация материала мишени на подложку, расположенную на небольшом расстоянии или вплотную к мишени, в последние годы интенсивно изучаются и применяются в технологии лазерного переноса для формирования пленочных элементов. Абляция металлов и непрозрачных полупроводниковых пленок инициирована испарением этих металлов и образованием приповерхностной плазмы.

Метод импульсного лазерного напыления относится к группе методов физического осаждения из газовой фазы и предполагает использование вакуумной камеры. Это делается для того, чтобы избежать торможения испаряемых частиц молекулами воздуха, а также с целью жесткого контроля состава и давления газовой смеси, участвующей в процессе осаждения.

Термодинамические условия образования наночастиц подбирались экспериментально, варьируя параметры лазерных импульсов, частоту повторения, а также расстояние от мишени до подложки. Пары материала мишени разлетаются в объёме вакуумной камеры и оседают на холодную подложку. В зависимости от регулируемых параметров эксперимента на подложке формируются достаточно сложные наноструктуры.

Взаимодействие высокоэнергетического лазерного импульса с материалом мишени приводит к образованию целого ряда продуктов, среди которых присутствуют не только электроны, ионы и нейтральные частицы, но и твердые микрочастицы материала мишени, отрывающиеся при взрывообразном испарении материала. Траектория дальнейшего движения этих частиц и их распределение по энергиям существенно зависят не только от интенсивности, продолжительности и частоты лазерных импульсов, но и от давления в рабочей камере. Проведение лазерной абляции в глубоком вакууме приводит к образованию узкого факела продуктов, в котором велика доля заряженных частиц, а при образовании пленки в этих условиях велика роль процессов вторичного распыления конденсата высокоэнергетическими заряженными частицами.

При процессе обратного переноса однородный слой толщиной l0, нагретый до температуры T0, нанесен на недеформируемую твердую подложку. Начальная плотность вещества равна нормальной плотности твердого тела 0, а начальное давление определено уравнением состояния. Нагретый слой разлетается в вакуум.

При этом локальное термодинамическое равновесие в веществе не нарушается в процессе разлета. Условие начальной стадии расширения:

где c0 – скорость звука в веществе с плотностью 0 и температурой T0. На этой стадии наличие подложки никак не влияет на структуру течения. Течение зависит от переменной:

Время t отсчитывается от начала разлета, а координата z от внешнего края нагретого слоя. Ось z направлена в сторону вакуума.

При таком выборе направления оси z решения уравнений газовой динамики существуют, если выполняется соотношение где u – скорость течения, c – скорость звука. Это решение имеет вид:

Это уравнение в неявном виде определяет профили термохимических переменных и скорости в центрированной волне разрежения.

Если слой имеет конечную толщину l0 и нанесен на несжимаемую подложку, волна разрежения достигает подложки в момент времени и отражается.

Отраженная волна с текущей координатой zr(t) достигает области плато в момент времени tr, который определяется интегрированием уравнения отраженной характеристики В случае степенной аппроксимации несложный расчет дает При t tf плотность вещества за отраженной волной со временем убывает, тогда, как на плато она остается постоянной и равной e. К моменту времени t tf в веществе за отраженной волной уже произошел фазовый переход и вещество находится в двухфазном состоянии. При этом градиент давления резко уменьшается и происходит “замораживание” движения: устанавливается режим разлета по инерции. Плотность вещества в двухфазной области монотонно уменьшается, и становиться ниже плотности в области плато.

Область плато превращается в тонкую оболочку с плотностью e, движущуюся с постоянной скоростью. За оболочкой следует область двухфазной среды, в которой скорость линейно зависит от координаты z, а плотность вещества падает со временем.

Процессы образования тонкопленочных покрытий вытекают из характера лазерной абляции вещества, образованных слоев разлетающегося материала и осаждения его на подложку.

Подводя итог, можно сформулировать основное направление данной работы как получение наноструктурированных образцов с применением мощного фемтосекундного излучения как на самих твердотельных мишенях, так и в продуктах конденсации на подложки, а равно и исследование таких структур.

3. Проведение патентных исследований.  Объектом патентного исследования является метод формирования наносруктурированных покрытий, наносруктурированных материалов при лазерном воздействии (наноструктурированных материалов, однородных тонких пленок и нанопорошков управляемым лазерным излучением – системы, позволяющие наноструктурировать и нанодефектировать поверхность различных материалов на основе развития лазерно-индуцированных процессов и неустойчивостей).

Отчет о проведенных патентных исследованиях представлен в Приложении Отчета.

4. Разработка  экспериментальной  схемы  синтеза  наноструктурированных  материалов  при  осаждении  продуктов  лазерной абляции при воздействии на мишени УКИ с длительностью  50­100 фс.  4.1. Описание фемтосекундной Ti:SP лазерной системы и схемы эксперимента.  Исследования проводились на фемтосекундной Ti:Sp лазерной системе, которая имеет следующие параметры: частота повторения импульсов 1 кГц, длительность импульса порядка 50 фс и энергия 1 мДж. Излучение, выходящее из задающего генератора, попадает в стретчер, затем усиливается в регенеративном усилителе с помощью лазера накачки и, проходя через компрессор, выходит и фокусируется одиночной линзой в вакуумную камеру в соответствии с рис. 4.1.

Диаметр сфокусированного пятна составляет порядка 200 мкм, но наибольшая интенсивность концентрируется в пятно диаметром 100 мкм.

Рис. 4.1. Схема фемтосекундной Ti:Sapphire лазерной системы Фемтосекундные лазерные импульсы малой мощности генерируются лазером на корунде с титаном (TiF-20S). В качестве источника его накачки используется лазер OPUS-3 фирмы Laser Quantum на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой и с внутрирезонаторным преобразованием во вторую гармонику. Далее импульс попадает в стандартный двухпроходовый стретчер, использующий только отражательную оптику, где растягивается приблизительно до 100 пс. Для предотвращения влияния усиленной люминесценции из регенеративного усилителя на работу фемтосекундного лазера, после стретчера используется блок оптической развязки – широкополосный изолятор Фарадея. Растянутый импульс инжектируется в регенеративный усилитель с помощью ячейки Поккельса, где усиливается. В качестве накачки регенеративного усилителя используется Nd:YLF лазер DARWIN 527-20-M Quantronix фирмы с диодной накачкой и внутрирезонаторным преобразованием частоты (1 кГц, 15 мДж, 527 нм). После того, как инжектированный импульс с энергией 1 нДж достигает своей максимальной энергии (усиливается приблизительно в 106 раз), он выбрасывается из усилителя с помощью другой ячейки Поккельса. Далее импульс попадает либо в компрессор, либо в следующий каскад усиления, в котором осуществляется 3 прохода через активную среду. Накачка многопроходового усилителя осуществляется с помощью второй гармоники лампового импульсного (с частотой 100 Гц) лазера LQ 629-100M на кристалле Nd:YAG производства фирмы Solar. После многопроходового усилителя энергия импульса может достигать значений 20 мДж. Для предотвращения пробоя оптики пучок увеличивается в размере с помощью зеркального телескопа. В компрессоре импульс сжимается до длительности 50 фс.

В результате на выходе системы присутствуют:

- цуг импульсов частотой 1 кГц, длительностью 50 фс и энергией 1 мДж с центральной длиной волны 800 нм, - либо, при использовании второго каскада усиления, цуг импульсов частотой 100 Гц, длительностью 50 фс и энергией 10 мДж с центральной длиной волны 800 нм.

Спектр импульсов основной гармоники контролируется с помощью спектрометра ASP-100. Длительность импульсов второй гармоники контролируется с помощью автокоррелятора ASF-20.

Вакуумная камера, представленная на рис.4.2, откачивается турбомолекулярным насосом до давления 10-4 Торр. Сфокусированное излучение попадает на мишень, расположенную под углом 450 к излучению в соответствии с рис. 4.3. Конструкция камеры позволяет зафиксировать образец в неподвижном состоянии в требуемом положении [4.1]. Для этого разработан узел для закрепления образца в необходимом положении внутри камеры. Изменяемый параметр – расстояние от образца до подложки, регулируется благодаря специальным зажимам, удерживающим требуемое положение. Выбранный размер образцов, равный порядка 1010 мм, предполагает использование одной мишени для серии экспериментов [4.2].

Рис. 4.2. Разрез внутренней части вакуумной камеры (длина 274 мм и диаметр 108 мм) Рис. 4.3. Геометрия эксперимента Табл. 4.1. Основные характеристики Ti:SP лазерной системы Характеристики выходного излучения Регенеративный усилитель Центральная длина волны излучения 800 нм Частота повторения 1 кГц Длительность импульса 50 фс Энергия в импульсе 1 мДж Диаметр пучка (FWHM) 6 мм Стабильность энергии 1% Многопроходовый усилитель Центральная длина волны излучения 800 нм Частота повторения 100 Гц Длительность импульса 50 фс Энергия в импульсе 10 мДж Диаметр пучка (FWHM) 10 мм Стабильность энергии 2% 4.2.  Описание  фемтосекундной  Yb:KGW  лазерной  системы  и  схемы  эксперимента.  Фемтосекундная Yb:KGW лазерная система использует принцип усиления чирпированных импульсов, заключающийся в следующем:

Задающий генератор формирует лазерные импульсы сверхкороткой длительности. Далее импульсы растягиваются во времени, что снижает их пиковую мощность и позволяет, в том числе, избежать возникновения нелинейных эффектов и предотвратить повреждение оптических элементов. Растянутые оптические импульсы усиливаются в одном или нескольких усилителях и затем с помощью компрессора сжимаются до их первоначальной длительности.

Рис. 4.4. Блок схема лазерной системы ТЕТА- В качестве задающего генератора в лазерной системе используется иттербиевый волоконный лазер, формирующий цуг импульсов фемтосекундной длительности. В волоконном стретчере фемтосекундные импульсы растягиваются до длительности ~ 50 пс и затем усиливаются в двух волоконных усилителях мощности. Далее из последовательности выделяется отдельный импульс, который с помощью электрооптического затвора инжектируется в твердотельный регенеративный усилитель с диодной накачкой, где усиливается до энергии ~ мкДж. Усиленный импульс выводится из регенеративного усилителя с помощью того же электрооптического затвора.

Частота работы регенеративного усилителя составляет 10 кГц. Часть излучения на выходе регенеративного усилителя для измерения энергии отводится в фотоприемник. После регенеративного усилителя размещен дополнительный электрооптический затвор, который, во-первых, используется в качестве затвора, пропускающего или нет излучение в последующую часть оптической системы, и, кроме того, позволяет прореживать цуг импульсов из регенеративного усилителя до необходимой пользователю частоты. Далее усиленные импульсы сжимаются в компрессоре до длительности ~ 300 фс. На выходе оптического блока также установлен фотоприемник для измерения энергии. Сжатые импульсы выводятся из оптического блока и направляются в блок преобразования частоты. Импульсы преобразуются во вторую гармонику на кристалле ВВО. За генератором второй гармоники расположен переключатель каналов, представляющий собой зеркало, установленное на откидной оправе. Переключатель каналов направляет излучение второй гармоники либо в выходное окно блока преобразования частоты, либо в генератор четвертой гармоники на кристалле ВВО. Преобразованное в четвертую гармонику излучение выводится из блока через второе выходное окно.

Оптический блок содержит в себе изоляторы Фарадея, регенеративный усилитель на кристалле, легированном ионами Yb3+, выходной электрооптический затвор, телескоп, компрессор импульсов.

Блок преобразования частоты предназначен для генерации второй гармоники (ВГ) излучения на длине волны =514 мкм и четвертой гармоники (ЧГ) на =257 нм.

Рис. 4.5. Оптическая схема блока преобразования частоты Входное излучение на длине волны =1028 нм, отражаясь от зеркал М1 и М2, проходит через кристалл второй гармоники (SHC). Далее излучение ВГ отражается от зеркала М3 и флип-зеркала FM и выходит наружу. Для получения генерации ЧГ необходимо опустить флип-зеркало FM вниз. Таким образом, ВГ и ЧГ могут работать только поочередно. Зеркала-сепараторы М1, М2 и FM отражают ВГ (= нм) и пропускают основную гармонику (=1028 нм). После генерации ЧГ в кристалле (FHC) излучение ЧГ (=257 нм) выходит наружу через зеркала М5 и М6.

В лазерной системе реализована возможность понижения данной частоты с помощью использования режимов прореживания импульсов (Subsampling mode).

Данные режимы предназначены либо для понижения частоты следования лазерных импульсов, либо для формирования на выходе лазерной системы последовательности пачек лазерных импульсов с регулируемыми количеством импульсов в пачке и частотой следования пачек. При формировании пачек импульсов, интервал между двумя соседними импульсами в пачке сохраняется равным интервалу следования импульсов после регенеративного усилителя (10кГц)– = 100мкс. Формирование пачек и управление частотой следования осуществляется электрооптическим затвором на выходе регенеративного усилителя.

Таблица 4.2. Основные характеристики Ti:SP лазерной системы Характеристики выходного излучения Излучение основной частоты Центральная длина волны излучения 1029 ± 2 нм Частота следования импульсов 10 кГц Длительность импульса 300 фс Энергия в импульсе (@ 10 кГц) 150 мкДж Диаметр пучка (по уровню 1/е2) 4.5 мм Стабильность энергии (rms) 1% Поляризация вертикальная Режим прореживания импульсов по есть внутреннему/внешнему сигналу Режим «импульс по запросу» с запуском внешним TTL есть сигналом Вторая гармоника Центральная длина волны излучения 515 ± 1 нм Длительность импульса 300 фс Энергия в импульсе (@ 10 кГц) 75 мкДж Диаметр пучка (по уровню 1/е2) 4.2 мм Поляризация горизонтальная Четвертая гармоника Центральная длина волны излучения 257 ± 0.5 нм Длительность импульса 350 фс Энергия в импульсе 20 мкДж Диаметр пучка (по уровню 1/е2) 4.0 мм Поляризация вертикальная Эксперименты, проведенные на фемтосекундной Yb:KGW лазерной системе имеют похожую геометрию, но лазерное излучение падает на мишень в вертикальной плоскости через отверстие в держателе для подложки (рис. 4.6). Параметры Yb:KGW лазерной системы: частота повторения импульсов 10 кГц, длительность импульса сотни фемтосекунд, энергия 150 мкДж и диаметр сфокусированного пятна порядка 50 мкм.

Рис. 4.6. Схема экспериментальной установки: 1 – Yb:KGW – лазерная система, 2 – поворотные зеркала, 3 – гальваносканер с фокусирующим объективом, 4 – вакуумная камера, 5 – узел крепления для мишени и подложки, 6 – мишень, 7 – подложка 4.3. Описание зондовой нанолаборатории ИНТЕГРА Спектра  Для исследования полученных образцов использовалась зондовая нанолаборатория (ЗНЛ) ИНТЕГРА Спектра в конфигурации с оптикой высокого разрешения, позволяющая в процессе сканирования проводить наблюдение участка образца непосредственно под зондом с разрешением 0.4 мкм. Оптическая измерительная головка обеспечивает получение оптического изображения высокого разрешения поверхности исследуемого объекта, в том числе, и непосредственно под острием зонда, облучение светом видимого диапазона поверхности (с размером светового пятна до 0.4 мкм) и сбор светового излучения образца из-под острия зонда. Кроме того, в сочетании со спектрометром прибор может функционировать как Конфокальный Рамановский микроскоп.

Большое значение числовой апертуры использованного объектива (NA=0.7) обеспечивает возможность возбуждения светом поверхности образца под значительными углами падения. Это дает возможность сформировать под острием зонда световое пятно, обладающее значительной компонентой электрического поля, направленной нормально к поверхности. Такое поле оптимально для организации усиленных острием зонда оптических эффектов ближнего поля, таких как гигантское комбинационное рассеяние.

Основные узлы ЗНЛ ИНТЕГРА Спектра представлены на блок-схеме, изображенной на рисунке 4.7.

Рис. 4.7. Блок-схема ЗЛН ИНТЕГРА Спектра ЗНЛ ИНТЕГРА Спектра позволяет выполнять следующие измерения:

проводить спектральные измерения в точке и получать спектральные характеристики различных материалов, используя прибор как обычный спектрометр;

проводить измерения интенсивности вторичного сигнала в выбранном диапазоне длин волн в процессе послойного объемного сканирования области 10010030 мкм;

получать оптические изображения объектов, работая в качестве обычного лазерного конфокального микроскопа;

с разрешением вплоть до атомарного проводить измерения характеристик рельефа поверхности образца, а также его электрических, магнитных, наномеханических и других свойств методами силовой микроскопии;

реализовать с нанометровым разрешением измерения различных оптических характеристик, присущих методикам безапертурной Сканирующей Ближнепольной Оптической Микроскопии.

В ЗНЛ ИНТЕГРА Спектра входят два лазера: твердотельный лазер модели LM473 и гелий-неоновый лазер модели LM633.

Таблица 4.3. Технические характеристики твердотельного лазера LM Параметр Значение TEM Поперечная мода Длина волны 473 нм Поляризация линейная Степень поляризации 100: Расходимость пучка (1/е2) 1,2 мрад Нестабильность мощности излучения 3% Табл 4.4. Технические характеристики твердотельного лазера LM Параметр Значение TEM Поперечная мода Длина волны 633 нм Поляризация линейная Степень поляризации 500: Стабильность направления 0.03 мрад через 30 мин Расходимость пучка (1/е2) 0.66 мрад Нестабильность мощности излучения ±2 % Принцип работы ЗНЛ ИНТНГРА Спектра можно пояснить с помощью упрощенной оптической схемы (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Упрощенная оптическая схема функционирования ЗНЛ ИНТЕГРА Спектра: 1 – блок ввода лазерного излучения;

2, 3, 4, 6, 7 – зеркала;

5 – 97%-е зеркало;

8 – расширитель пучка;

9 – три набора сменных щелевых и режекторных фильтров;

10, 11 – объективы;

12, 13 – точечная диафрагма;

14 – дифракционные решетки;

15, 16 – нейтральный фильтр переменной плотности;

17, 18 –поляризатор;

19 – кассета с фильтрами;

PMT – фотоэлектронный умножитель;

CCD – ПЗС камера;

APD – лавинный фотодиод;

SPM – СЗМ Лазерный луч из блока ввода лазерного излучения 1 при помощи зеркал 2, направляется через нейтральный фильтр переменной плотности 15, поляризатор 17 к расширителю пучка 8 лазерного излучения. Автоматически перенастраиваемый расширитель пучка 8 обеспечивает настройку диаметра и коллимированности лазерного луча для всего набора используемых лазеров.

Зеркала 4, 5 направляют лазерный луч на режекторный фильтр 9. Отраженный от режекторного фильтра 9 лазерный луч направляется в модуль ввода излучения и, проходя через объектив измерительной головки, фокусируется на образце.

5. Исследование  физико­механических  свойств  формируемых  наноструктурированных  плёнок  и  покрытий,  определение  оптимальных режимов воздействия.  5.1. Тонкие плёнки титана.  Исследуемые тонкие пленки, полученные с помощью фемтосекундной Ti:Sp лазерной системы, представляют собой напыление титана на предметное стекло.

При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на поверхности образцов титана образуются характерные каверны порядка 250 нм в плоскости границы мишени и 150 нм в углублении. На подложке отчетливо видна зонная структура напыления. С помощью РЭМ изображений наночастиц титана, которые оседают на поверхность подложки, можно выделить центральную, среднюю и краевую зоны.

Напыленный материал обладает малой адгезией к подложке и неустойчив к внешнему воздействию. Центральная зона характеризуется большим количеством наночастиц приближенной к сферической форме, но имеющей неровные края. Для большей наглядности, был использован лазерный маркер, выделяющий различные зоны (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Типичные лазерные каверны, образованные на поверхности мишени Рис. 5.2. - Зонная структура напыления металлических мишеней:

I – центральная зона, II - средняя зона, III -краевая зона Построены диаграммы распределения наночастиц по размерам (рис. 5.3). При этом размер наночастиц в данной области находится в пределах 10-30 нм. Но также встречаются наночастицы, имеющие и большие размеры в зависимости от расстояния от распыляемого образца до подложки. Наиболее крупные скопления оседают в центральной зоне [5.1].

Рис. 5.3. АСМ изображение напыления титана и соответствующего распределения наночастиц После изъятия подложки из вакуумной камеры в центральной зоне напыленной пленки титана происходит взаимодействие активных наночастиц с атмосферным кислородом. Судя по всему, концентрация частиц и толщина пленки в центральной зоне больше чем по краям. Поэтому происходит перераспределение рельефа поверхности и образование квазиупорядоченных структур (рис. 5.4).

Рис. 5.4. АСМ изображения центральной области напыления титана Ti:Sapphire лазерной системой Отслаивание пленки, возможно, вызвано образованием оксидов титана. При этом происходит перераспределение рельефа в так называемые блистеры вида телефонного шнура. Но так же, на рис. 5.5 видно и отслаивание большего размера.

Характерные размеры приведены на рисунке.

Рис. 5.5. РЭМ-изображение титановой пленки.

Образование зигзагообразных структур происходит более интенсивно в центральной области напыления. Топологические параметры структур изменяются при удалении от центральной области. Период отдельной полосы в центральной области соответствует порядка 10 мкм, высота составляет в среднем 600 нм.

Расстояние между двумя полосами 5 мкм. Зависимость характера структур от условий лазерного воздействия дает возможность подбора необходимого набора параметров для области исследования [5.2].

Для анализа полученных тонких пленок использовалась зондовая нанолаборатория Интегра Спектра. На основе спектров комбинационного рассеяния установлено, что в составе пленки присутствует кристаллическая форма оксида титана – рутил. Для рутила, из литературных источников, выраженные пики на 447, 611 см-1 и более слабые на 244 и 145 см-1 совпадают с экспериментальными данными (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Сравнение комбинационных спектров рутила из литературных источников с полученными в эксперименте.

В состав пленки входит кристаллическая форма диоксида титана рутила, для которого параметры элементарной ячейки составляют a=4,5929 и c=2,9591. Но образование рутила происходит лишь в местах, расположенных между зигзагообразными складками. Данная трансформация рельефа связана с тем, что происходит четкое разделение структуры ионов Ti3+ и Ti4+ в направлении псевдорутильной оси с. Таким образом, происходит образование более коротких связей Ti–Ti для ионов с зарядом 3+ и смещением ионов Ti4+ по направлению к одному из ионов кислорода в октаэдре кристаллической решетки. При этом образуются укороченные связи Ti–O (1,776 и 1,787 ), формирующие в общем массиве наноструктур зигзагообразные цепи [5.3].

Наиболее характерное свойство рутила – его дисперсия, более чем в шесть раз превосходящая дисперсию алмаза. Он имеет более высокий показатель преломления, чем алмаз.

Использование атомно-силового микроскопа позволило определить примерную толщину пленки, составляющую 60 нм (рис. 5.7). Стоит отметить, что толщина пленки, измеренная в периферийной области, имеет меньшее значение, чем в центральной области, что связано с механизмом лазерной абляции.

Рис. 5.7. АСМ-изображение титановой пленки.

При отдалении от центра пленки образуется довольно равномерное напыление с образованием скоплений наночастиц в кластеры, размеры которых лежат в области от 50 до 200 нм (рис.5.8). Четко выражены границы образованных наночастиц. Данные результаты могут быть полезны для подбора технологических параметров напыления пленок.

Рис. 5.8. АСМ-изображение титановой пленки.

При исследовании пленок, полученных на Yb:KGW лазерной системе, не происходит отслаивания и изменения рельефа поверхности. Напыление происходило при различных параметрах, таких как скорость движения лазерного пучка по образцу, количества проходов и расстояния от образца до подложки. В основном получается равномерный слой с характерным размером наночастиц 100 300 нм (рис. 5.9).

Рис. 5.9. РЭМ-изображение титанового покрытия.

Большее увеличение позволяет увидеть, что происходит взаимодействие соседних наночастиц и их дальнейшее соединение в кластеры. Размеры таких скоплений различны, наибольшие имеют размеры до 500 нм. Высота слоя зависит от размера образованного кластера, поэтому рельеф довольно неровен в пределах нанометрового диапазона. Встречаются скопления, имеющие высоту в несколько сотен нанометров. Так как лазерное излучение проходило через подложку, и некоторая область разлета материала была в зоне действия лазера, происходит распределение наночастиц в направлении лазерного воздействия.

При напылении в открытом воздухе слой осажденных наноструктур приобретает неравномерное распределение по поверхности подложки. Активное взаимодействие с кислородом в процессе лазерной абляции приводит к образованию кристаллической формы оксида титана – анатаза (рис. 5.10). Характерные пики, полученные с помощью комбинационного рассеяния, полностью совпадают с литературными источниками.

Рис. 5.10. РЭМ-изображение титанового покрытия.

Возможным применением лазерной абляции является технология тонкопленочных солнечных элементов с применением оксидов титана, на базе которых можно делать существенно более емкие и дешевые солнечные батареи для использования на массовом рынке.

5.2. Тонкие плёнки никеля.  При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на поверхности образцов никеля также образуются каверны и зоны напыления. С помощью РЭМ изображений наночастиц никеля, которые оседают на поверхность подложки, можно выделить центральную, среднюю и краевую зоны. Центральная зона характеризуется большим количеством наночастиц с формой, приближающейся к сферической. Построены диаграммы распределения наночастиц по размерам (рис.

5.11). При этом размер наночастиц в данной области находится в пределах от 20 нм до 600 нм в диаметре. Наиболее часто встречающиеся наночастицы имеют размер 150 нм. Частицы напыленного никеля в средней зоне имеют характерный размер в основном около 100 нм. Форма частиц является эллипсообразной формы.

Встречаются наночастицы относительно большой формы, но распределение частиц менее 100 нм достаточно однородное. В краевой зоне наночастицы более разрежены, но имеют однородное распределение и средний размер порядка 70 нм.

Рис. 5.11. РЭМ изображения напыления никеля и соответствующее распределение наночастиц.

5.3. Тонкие углеродосодержащие плёнки.  Также наноструктуры получены при абляции стеклоуглерода ультракороткими лазерными импульсами на поверхности подложки из кварцевого стекла. Получены наиболее типичные АСМ изображения, при этом главное отличие от аналогичных изображений для никеля и титана состоит в том, что для стеклоуглерода не образуются отдельные наночастицы, а происходит формирование наноструктур достаточно сложной формы (рис. 5.12). На изображениях напыления стеклоуглерода можно видеть сложную лабиринтоподобную структуру нанотрубок с характерным поперечным размером порядка 10 нм и кольцевые структуры диаметром порядка нм, высота структур около 15 нм, что согласуется с исследованиями других авторов и более ранними работами.

(а) (б) Рис. 1.5.12. АСМ изображение наноструктурированных пленок стеклоуглерода (а);

увеличенная выделенная область (б).

Стеклоуглерод – изотропный, газонепроницаемый, твердый и прочный материал, сочетающий в себе свойства графита и стекла, способный выдерживать многократный быстрый нагрев с последующим быстрым охлаждением.

Стеклоуглерод применяется в производстве полупроводниковых материалов, оптических монокристаллов, в электрокардиостимуляторах и т. д.

Методом подбора различных параметров сканирования были выбраны два наиболее оптимальных режима воздействия. Абляция стеклоуглерода проходила в вакууме при давлении 104 Торр, пленки осаждались на кремниевую холодную подложку, расстояние от мишени до подложки 7 мм (рис. 5.13).

Рис. 5.13. АСМ-изображение углеродной пленки и КР спектр полученной углеродной пленки.

Алмаз (D) имеет единственный характерный узкий пик на 1332 см-1. Для монокристалла графита (G) пик проявляется на 1580 см-1, хотя он уже и не такой узкий как у алмаза. У микрокристаллического графита (pG) характерными являются два пика на 1580 см-1 и 1360 см-1. Пик на 1360 см-1 появляется вследствие нарушения дальней зоны упорядоченности, поэтому эти пики обозначаются в литературе как G и D пики [5.4]. Существует такая модификация, как разупорядоченный углерод с пиками на 1500 см-1 и 1360 см-1. Этот материал назвали "подобным алмазу" из-за его относительной прозрачности и отсутствия электрической проводимости. Эти свойства следуют из ограниченного диапазона размеров графитных структур и их связей. Спектр стеклоуглерода имеет характерные пики G и D, соответствующие 1580 см-1 и 1360 см-1.

На всех наших спектрах углеродных пленок на длине волны возбуждения нм присутствуют широкие пики D 1360 см-1 и G 1580 см-1, характерные для аморфного углерода. На спектрах, зарегистрированных при возбуждении 632,8 нм, четко виден пик в области 1100-1200 см-1.

Анализируя комбинационные спектры стеклоуглерода, и сравнивая их с похожими опубликованными работами, можно придти к выводу о том, что напыленные пленки являются «смешанными», так как в них присутствуют пики характерные как для аморфного углерода D 1360 см-1 и G 1580 см-1, так и пики в области 1100-1200 см-1, свидетельствующие о наличии алмазных кластеров [5.5].

Явные пики в области меньше 1000 см-1 при снятии спектров двумя лазерами являются пиками кремния.

6. Разработка технологии синтеза тонких пленок  В ходе выполнения первого этапа проекта разработана технология синтеза тонких пленок, основанная на методе формирования наноструктурированных покрытий при осаждении продуктов плазменного факела, возбужденного лазерным излучением с фемтосекундной длительностью импульсов. Для генерации лазерной плазмы применялся источник фемтосекундного лазерного излучения – фемтосекундная Yb:KGW лазерная система (длительность импульсов 100фс, энергия в импульсе 150 мкДж, частота повторения импульсов – 10 кГц). Для контроля продолжительности лазерного импульса использовался автокорреляционный метод и метод спектральной фазовой интерферометрии.

Разработанная технология позволяет получать наноструктурированные покрытия с толщиной 50-500нм, площадь 1-10мм2, с размерами отдельных частиц в слое не более 200нм.

6.1. Описание  метода  формирования  наноструктурированных  покрытий  при  осаждении  продуктов  плазменного  факела,  возбужденного  лазерным излучением с фемтосекундной длительностью импульсов  Метод формирования наноструктурированных покрытий при лазерном воздействии сверхкоротких импульсов осуществляется по механизмам «сверху вниз». Механизм «сверху-вниз» классический принцип построения наноматериалов, заключающийся в «измельчении» или удалении лишних частей обычных макроскопических материалов с помощью различных методов, в том числе методом лазерной абляции.

В результате мощного лазерного воздействия излучения с плотностью мощности 1010-1014 Вт/см2 на поверхности мишени при воздействии сверхкоротких (50-100фс) импульсов происходит процесс напыления материала на подложку. Для получения данного эффекта разработана следующая методика:

1. Образец размещается в узле крепления мишени и располагается на заданном расстоянии от перетяжки лазерного пучка, где происходит поверхностное воздействие.

2. Образец и подложку для напыления помещают в вакуумную камеру, где происходит процесс формирования наноструктурированных пленок из различных материалов при давлении 10-5 тор.

3. В соответствии с видом материала мишени выбирается диапазон мощности воздействия лазерного излучения 1010-1014 Вт/см2.

4. Задается время воздействия (от 1с до 10с) и скорость движения координатного столика (от 0.1мм/с до 1мм/с, если имеется подвижный координатный столик), что также влияет на процесс лазерной абляции мишени.

Лазерное излучение сверхкоротких импульсов позволяет выбирать диапазон мощности воздействия лазерного излучения 1010-1014 Вт/см2 на поверхности мишеней различных материалов. В зависимости от времени воздействия лазерного излучения сверхкоротких импульсов возможно получение различных наноструктурированных пленок толщиной от 50 нм до 500нм.

Утвержденный метод синтеза тонких пленок при воздействии сверхкоротких импульсов представлен в Приложении 2.

7. Обеспечение  проведения  исследований  для  сторонних  организаций  с  использованием УСУ  С использованием оборудования уникальной установки упорядоченного наноструктурирования объектов фемтосекудным излучением для организаций реального сектора экономики была проведена отработка технологий изготовления и поверхностной обработки и прецизионная диагностика качества изделий и инструмента в рамках следующих договоров:

1. ООО ВЗПМ «Полимер-Техника», ПП139/10 «Разработка технологии обработки и поставка деталей по номенклатуре ООО ВЗПМ «Полимер Техника» - проведено исследование структуры поверхностных слоев деталей по номенклатуре ООО ВЗПМ «Полимер-Техника.

2. ООО Владимирский моторо-тракторный завод, ПП 136/10 «Разработка технологии обработки и поставка деталей по номенклатуре ООО ВМТЗ»

проведено исследование результатов обработки поверхности изделий сверхвысоким разрешением.

3. ООО «ТермоЛазер», ПП 123/10 «Разработка технологии лазерного упрочнения и поставка деталей по номенклатуре ООО «ТермоЛазер»» проведено исследование структурных изменений материала при поверхностном лазерном упрочнении.

4. ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи», ПП 184/ «Изготовление деталей из материала заказчика» - осуществлена прецизионная диагностика качества изготовления изделий.

5. ЗАО «КЭМЗ-ИНСТРУМЕНТ», 4158/11 «Оптимизация технологий изготовления изделий по номенклатуре ЗАО «КЭМЗ-ИНСТРУМЕНТ»» проведено исследование структуры поверхностных слоев деталей по номенклатуре ЗАО «КЭМЗ-инструмент».

Заключение  В рамках работ выполненных на текущем этапе государственного контракта проведено исследование научно-технической литературы по теме проекта. На основе проведенного анализа предложены направления проведения исследований и обоснование их выбора. По направлению исследовательских работ проведены исследования процессов лазерной абляции при воздействии на мишени излучением с длительностью 50-100фс с использованием уникальной фемтосекундной установки для синтеза наноструктурированных материалов. Предложена экспериментальная схема для синтеза тонких пленок (до 500 нм поперечном направлении), разработан метод синтеза тонких углеродных и металлических пленок. Физические свойства осажденных продуктов исследованы использованием диагностической нанолаборатории Интегра-Спектра. Морфологические свойства исследовались с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 3D и зондовой лаборатории Интегра-Аура. Исследование свойств синтезируемых пленок позволяет говорить о том, что в процессе формирования осажденного слоя из продуктов лазерно-индуцированного факела достигается равновесное состояние плазмы, что приводит к интенсификации формирования новых форм материала. В общем предлагаемый метод позволяет формировать пленки толщиной 100-500нм, с характерным размером зерна 100-300нм, что отвечает требованиям технического задания.

Результаты проекта представлены на международных конференциях International Scientific Workshop Photonics and Micro – and Nano –structured Materials (Yerevan, Armenia, June 28-30, 2011), 19th International Conference on Advanced Laser Technologies – 2011, Golden Sands, 03-08 September.

Проект выполняется в соответствии с календарным планом и техническим заданием, все индикаторы данного этапа выполнены в полном объеме.

  Список использованных источников  1.1. Geiger M, BeckerW, Rebhan T, et al. Increase of efficiency for the XeCl excimer laser ablation of ceramics. Appl Surf Sci 1996;

96–98:309–315.

1.2. Tsuji T, Tsuboi Y, Kitamura N, et al. Microsecond resolved imaging of laser ablation at solid liquid interface: investigation of formation process of nano size metal colloids.

Appl Surf Sci 2004;

pp. 365–371.

1.3. С.И. Анисимов, Б.С. Лукьянчук, Избранные задачи теории лазерной абляции, УФН, 2002, том 173, №5, стр. 301-333.

1.4. Kitazawa S, Abe H,Yamamoto S. Formation of nanostructured solid-state carbon particles by laser ablation of graphite in isopropyl alcohol. J Phys Chem Solids 2005;

pp.

555–559.

1.5. Tsuji T, Tsuji M. Preparation of nano structures of metal by using laser ablation in water. Rev Laser Eng 2005;

pp. 36–40.

1.6. Link S, Burda C, Nikoobakht B, et al. Laser-induced shape changes of colloidal gold nanorods using femtosecond and nanosecond laser pulses. J Phys Chem B 2000;

pp. 6152– 6163.

1.7. IshikawaY, ShimizuY, SasakiT, et al. Preparation of zinc oxide nanorods using pulsed laser ablation in water media at high temperature. J Coll Interf Sci 2006;

pp. 612– 1.8. Xiao R-F. Liquid target pulsed laser deposition. Appl Phys Lett 1995;

pp. 1022–1024.

1.9. Murahara M. Photo-chemical polishing of fused silica optics by using ArF excimer laser. In: Proc SPIE 4347 (Exarhos GJ, Guenther AH, Kozlowski MR, et al., eds. Laser induced damage in optical materials: 2000);

pp. 547–552.

1.10. S/ Nakashima, K/ Sugioka, T. Ito et al. Fabrication of periodic nano-hole array on GaN surface by fs laser for improvement of extraction efficiency in blue LED. Physics Procedia 5 2011, pp. 203-211.

1.11. Е.В. Бармина, Э. Стратакис, К. Фотакис, Г.А. Шафеев. Генерация наноструктур при лазерной абляции металлов в жидкостях: новые результаты Квантовая электроник;

2010, том 40, № 11, стр. 1012-1020.

1.12. Wolfgang Kautek. PHYSICAL CHEMISTRY OF ULTRAFAST LASER INTERACTIONS WITH SOLIDS, Chapter 9. In Laser Ablation and its Applications, ed.

by Claude Phipps, Springer, 2007, pp. 217 229.

1.13. S. ELIEZER, N. ELIAZ, E. GROSSMAN, et.al. Nanoparticles and nanotubes induced by femtosecond lasers, Laser and Particle Beams 2005, vol. 23, pp. 15–19.

2.1. Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Пороговые характеристики абляции металлов под действием мощных лазерных импульсов ультракороткой длительности. Журнал технической физики;

2000, том. 70, № 9, с. 124-128.

2.2. Кононенко Т.В., Конов В.И., Гарнов С.В., др. Сравнительное исследование абляции материалов фемтосекундными и пико/наносекундными лазерными импульсами. Квантовая электроник;

1999, том 28, № 2, стр. 167-172.

4.1. Вакуумная техника: Справочник / Под общ. ред. Е. С. Фролова, В. Е.

Минайчева;

Машиностроение. – М. –1992. – с. 8.

4.2. S. Eliezer, N. Eliaz, E. Grossman, D. Fisher, I. Gouzman, Z. Henis, S. Pecker, Y.

Horovitz, M. Fraenkel, S. Maman, V. Ezersky, and D. Eliezar // Nanoparticles and nanotubes induced by femtosecond lasers. – 2005. – с. 15–19.

5.1. M.N. Gerke, K.S. Khorkov, O.B. Telushko, O.N. Bolshakova, V.G. Prokoshev, S.M.

Arakelian, «Formation of nanostructures at laser ablation under the action of ultrashort laser impulses on a surface of solid states», Physics Procedia, Volume 5, Part 1, 2010, Pages 213- 5.2. Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Пороговые характеристики абляции металлов под действием мощных лазерных импульсов ультракороткой длительности // Журнал технической физики. – 2000. – Т. 70. – № 9. – с. 124.

5.3. Лазарев В.Б., Соболев В.В., Шаплыгин И.С. Химические и физические свойства простых оксидов металлов, М. Наука. 1983. 239 с.

5.4. В.П. Новиков, А.Т. Матвеев, Л.Л. Климович Метод «селективного травления» в электрохимическом синтезе метастабильных форм углерода // сборник «Актуальные проблемы физики твердого тела». – Минск. – 2003. – с. 732-757.

5.5. Horiba J. Impact of Raman Spectroscopy On Technologically Important Forms of Elemental, Carbon 1, 2 // Raman Application Note. – p. 4.

Приложение 1.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ) УДК 544.032.65 УТВЕРЖДАЮ 536.421. ВГК ОКП Проректор по научной работе ВлГУ к.т.н., доцент _ С.Г.Мосин « 06 » сентября 2011 г.

ОТЧЕТ О ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ «Анализ существующих методов и методик синтеза наноструктурированных материалов при интенсивном лазерном воздействии»

Первый этап по теме:

«Проведение поисковых исследований с применением уникальной установки упорядоченного наноструктурирования объектов фемтосекундным излучением»

Шифр «2011-1.8-518-003-098»

ГК № 16.518.11.7030 от «12» мая 2011 г.

Руководитель патентного _ подразделения Н.М. Клопова Зав. кафедрой ФиПМ ВлГУ Руководитель НИР д.ф.-м.н., профессор С.М. Аракелян Владимир СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель НИР, д.ф.-м.н, профессор кафедры ФиПМ ВлГУ С.М. Аракелян Ответственный исполнитель НИР, д.ф.-м.н, профессор кафедры ФиПМ ВлГУ В.Г. Прокошев Исполнитель, доцент кафедры ФиПМ ВлГУ А.О. Кучерик Исполнитель, старший преподаватель кафедры ФиПМ ВлГУ С.В. Жирнова   ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ наночастица образования из связанных атомов с размерами меньшими, чем критические длины характеризующих явлений наноструктуры твердые тела с наноразмерной структурой, основными элементами которой являются такие структурные единицы как наночастицы нанокластеры образуют ряды возможных стабильных геометрических изомеров при фиксированном числе атомов и являются плоской структурой лазерная абляция Процесс удаления вещества с поверхности под действием лазерного излучения нанопорошки совокупность находящихся в соприкосновении индивидуальных твердых частиц небольших размеров от 0,001 до 103 мк СОДЕРЖАНИЕ Стр.

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц, терминов……………………………………………………………………… Общие данные об объектах исследования………………………………… Основная часть………………………………………………………………. 1.1. Оценка технического уровня существующих способов формирования наносруктурированных покрытий, наносруктурированных материалов ………………………………………. 1.2. Обоснование целесообразности разработки новых способов получения наноструктурированных материалов с требуемыми свойствами ……………………………………………………………..……. 1.3. Выявление технических и программных решений, созданных в процессе выполнения НИР, с целью отнесения их к охраноспособным объектам интеллектуальной собственности……………………………….. 1.4. Проведение дополнительных патентных исследований……………... Заключение…………………………………………………………………... Приложение А. Задание на проведение патентных исследований……….. Приложение Б. Регламент поиска……………………………………........... Приложение В. Отчет о поиске………………………………………........... Таблица В.6.1 Патентная документация………………………………... Таблица В.6.2 Научно-техническая документация…………………….. ТаблицаВ.6.3 Количество опубликованных охранных документов по годам (изобретательская активность)………………………………………. ОБЩИЕ ДАННЫЕ ОБ ОБЪЕКТАХ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектом исследования является метод формирования наносруктурированных покрытий, наносруктурированных материалов при лазерном воздействии (наноструктурированных материалов, однородных тонких пленок и нанопорошков управляемым лазерным излучением – системы, позволяющие наноструктурировать и нанодефектировать поверхность различных материалов на основе развития лазерно-индуцированных процессов и неустойчивостей). Научно-исследовательские работы по этим направлениям ведутся с 90-х годов.

Областью исследований является определение возможности формирования наноскопических объектов и протяженных структур, образование однородных тонких пленок на поверхности твердых тел при лазерном плавлении и абляции различных материалов для получения наночастиц и создания тонких покрытий с заданными свойствами.

В настоящее время для получения наночастиц, нанокластеров определенного размера и наноструктурированных материалов применяют различные схемы и методы. В нашем случае производятся следующие опыты: по осаждению продуктов плазменного факела возбужденного лазерным излучением с фемтосекундной длительностью импульсов;

по осаждению покрытий на поверхности различных материалов при лазерном импульсно-периодическом воздействии с длительностью импульсов 100-200 нс на коллоидные системы;

по формированию композиционных материалов при локальном лазерном спекании/плавлении;

по формированию самоочищающихся полупроводниковых покрытий при воздействии на медные сплавы.

1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1.1 Оценка технического уровня существующих способов формирования наносруктурированных покрытий, наносруктурированных материалов В приведенном ниже перечне представлено содержание наиболее характерных разработок, обнаруженных в процессе патентного исследования.

Способ изготовления изделий из оксидной керамики с повышенной теплопроводностью (Патент РФ № 2323912, Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского", МПК C04B35/01) Изготовление изделий из оксидной керамики включает операции приготовления кислотного раствора, содержащего один или более катионов металла, в том числе делящегося, осаждения соли или гидроксида металла из раствора, термической обработки осадка, формования изделий и их спекания, причем на операции осаждения получают осадок, содержащий крупные частицы размером не менее 0,1 мкм и наночастицы размером не более 30 нм, доля которых составляет 0,05-2,0 мас.%. Гидроксид металла осаждают аммиаком в две стадии, причем рН на первой стадии ниже рН полного осаждения металла не менее чем на 0,5, а рН на второй стадии составляет 9,5-10,5. Соль в виде оксалата металла осаждают концентрированным раствором щавелевой кислоты с избытком от стехиометрии не менее 20%. Технический результат изобретения: возможность изготовления изделий с аномально высокой теплопроводностью, повышенной пластичностью и термостойкостью. Недостатком является то, что необходимо, приготовлять кислотный раствор, после подвергать осадок термической обработке, только после таких операций происходит формирование изделий и их спекание.

Такой подход приводит к различным циклам производства, что неудобно.

Способ нанесения покрытия ультратонким слоем на металлические изделия (Патент РФ № 2353702, СЕНТР ДЕ РЕШЕРШ МЕТАЛЛЮРЖИК АСБЛ-СЕНТРУМ ВООР РЕСЁЧ ИН ДЕ МЕТАЛЛЮРЖИ ВЗВ, МПК B82B1/00) Покрытие представляет собой ультратонкую пленку толщиной от 10 до 100 нм. Способ включает осаждение ультратонкого слоя наночастиц оксида из раствора, содержащего наночастицы оксидов, в условиях регулируемого рН при температуре субстрата выше 120°С и суммарной продолжительности менее 5 секунд, предпочтительно менее 1 секунды, при этом в раствор вводят, по меньшей мере, одну химическую добавку, обладающую эффектом ограничения толщины наносимого слоя наночастиц оксида.

Установка для нанесения покрытия содержит устройство для получения второго покрывающего слоя на первом покрывающем слое, полученном путем горячего погружения или путем распыления форсунками посредством применения указанного способа. Установка расположена после элементов, обеспечивающих операции формования и отвердевания первого покрывающего слоя, где указанный второй покрывающий слой наносят при температуре, по меньшей мере, на 100°С ниже температуры отвердевания первого покрывающего слоя. Способ позволяет наносить ультратонкий слой наночастиц оксида при более широком диапазоне температур полосы на входе в ванну и воспроизвести толщины покрытия при различной массе слоя.

Способ формирования тонких пленок на полупроводниковой подложке и устройство для его осуществления (Патент РФ № 2046450, Научно исследовательский институт молекулярной электроники, МПК H01L21/30) Способ включает приготовление наносимой жидкости на полупроводниковую подложку, которая закреплена на вращающемся столике, снабженном вакуумным захватом. На первом этапе, подложку вращают вокруг горизонтальной оси в резервуаре с наносимой жидкостью. На втором этапе подложку вынимают из резервуара и вращают с увеличенной скоростью. После этого подложку опускают в резервуар с образованием зазора между подложкой и поверхностью находящейся, в резервуаре жидкости, снизу под давлением на поверхность вращающейся подложки подают фильтрованную наносимую жидкость, затем столик с подложкой вращают с увеличенной скоростью перед возвращением в исходное положение, а отработанную жидкость сбрасывают из резервуара в систему рециркуляции и через фильтр направляют на повторный цикл нанесения пленки.

Способ фотохимического осаждения тонких пленок и устройство для его осуществления (Патент РФ № 2059322, Научно-инженерно-технологический центр "Микроэлектроника" Белорусской инженерной технологической академии, МПК H01L21/31) Способ включает нагрев подложки в реакторе атмосферного давления, подачу смеси реагирующих газов, облучение зоны осаждения вакуумным ультрафиолетовым излучением эксимерных молекул инертного газа газоразрядной плазмы барьерного типа при напряжении 1 - 20 кВ и частоте 1 - 20 кГц, причем спектр излучения выбирают из области спектра поглощения реагирующих газов.

Способ получения пленочного покрытия со свойствами углеродного стекла и установка для осуществления способа (Патент РФ № 2340550, ИТЭС ОИВТ РАН, МПК C01B31/00) В атмосфере инертного газа с фиксированным давлением, превышающим давление в тройной точке углерода, осуществляют испарение образца высокоориентированного графита в пределах локальной зоны лазерным импульсом таким образом, чтобы перегреть углерод относительно равновесной температуры плавления графита, соответствующей этому фиксированному давлению. Испарение ведут через пластину из кварцевого стекла, установленную с зазором 10-100 мкм относительно образца. Осаждение полученного пара проводят на части образца, примыкающей к локальной зоне. Для реализации способа устройство содержит размещенный в атмосфере инертного газа образец высокоориентированного графита, расположенную над ним кварцевую пластину, находящийся с ними в оптической связи импульсный лазер, пирометр для регистрации температуры жидкого углерода и фотоприемник для регистрации мощности лазерного импульса, а также устройство для изменения взаимного положения образца и кварцевой пластины, выполненное в виде разрезной пружинной прокладки, на которую нажимает гайка. Предложенное изобретение обеспечивает повышение сплошности и однородности получаемых покрытий со структурой стеклоуглерода.

Способ получения углеродных, металлических и металлоуглеродных наночастиц (Патент РФ № 2305065, ИТЭС ОИВТ РАН) Данное изобретение относится к нанотехнологии. Сущность изобретения: в способе получения углеродных, металлических и металлоуглеродных наночастиц, включающем приготовление реакционной смеси и воздействие на реакционную смесь ультрафиолетовым излучением (УФ) так, что молекулы реакционной смеси распадаются с образованием углеродного и металлического пара, который затем конденсируется в наночастицы, в качестве исходных веществ для приготовления реакционной смеси используют летучее углеродсодержащее соединение недокись углерода С3О2 и металлосодержащее соединение Fe(CO)5 или Мо(СО)6 и газ разбавитель, а на реакционную смесь воздействуют УФ-излучением с длиной волны меньше 207 нм. В качестве газа-разбавителя могут быть использованы инертные газы, а на реакционную смесь УФ-излучением воздействуют в непрерывном или в импульсном режиме. Изобретение позволяет обеспечить низкий уровень энергоемкости в сочетании с высокой эффективностью процесса получения наночастиц.

Нанофабрика пленочных нанокластерных структур и технология их изготовления (Патент РФ № 2004121813, Гарицын А.Г.) Нанофабрика пленочных нанокластерных структур содержит вакуумную камеру с герметичным затвором и газовакуумной системой;



Pages:   || 2 |
 














 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.