Разработка методов изготовления фрактальных наноматериалов при лазерной абляции многокомпонентных мишеней в условиях перколяционного перехода в плазме факела Введение
В отчете представлены результаты разработки методов изучения и изготовления фрактальных наноструктур как микро-, так и макроскопических размеров, образующихся в результате воздействия импульсов лазерного излучения различной длительности на конденсированные мишени, включая композиты.
Лазерная абляция находит широкое применение при производстве тонких пленок, нанокластеров и других наноструктурированных материалов. Наиболее полно и активно изучалось образование наноструктур при воздействии лазерного излучения на поверхность графитовой мишени, так как возникающие при абляции фуллерены [93], нанотрубки [94] и алмазоподобные покрытия [95] представляют значительный интерес для фундаментальной науки и технических приложений. Лазерная абляция конденсированных мишеней сопровождается образованием низкотемпературной плазмы, в которой формируются наночастицы (кластеры). В результате агрегации компактные кластеры образуют разветвленные фрактальные структуры. Лазерная абляция в качестве одного из методов получения наноструктур имеет ряд преимуществ: высокая скорость образования наноструктур и отсутствие химических реакций, что обеспечивает чистоту наноструктур, минимальную массу исходного вещества; возможность изменения в широком диапазоне условий воздействия.
Большинство экспериментов по лазерной абляции выполнено при воздействии наносекурдных импульсов на конденсированные мишени (металл, кремнезем и т.д.), помещенные в атмосферу буферного газа низкого давления [96] или в жидкость [97]. Как правило, используется частотный режим воздействия (с частотой повторения лазерных импульсов от 10 до 106 Гц ). В настоящем экспериментальном исследовании лазерная абляция проводилась в широком диапазоне давлений буферного газа (от 0.001 до ~100 атм) при воздействии одиночных импульсов наносекундного и миллисекундного диапазонов.
Раннее нами [98] было установлено, что фракталы, как в микро-, так и в макроскопических формах, эффективно образуются в процессе воздействия лазерного импульса с длительностью 10 мс в атмосфере буферного газа высокого давления. Под действием одиночного импульса с энергией ~100 Дж объем получаемого связанного фрактального материала может достигать ~см3. Эффективность метода различна для разных мишеней и проявляет пороговое поведение в зависимости от давления буферного газа. При воздействии мс-импульса фрактальные структуры возникают на периферии лазерного факела в более холодной области. Образованию фрактальных структур предшествует перколяционный кластер в более нагретых областях с температурой, при которой не могут существовать стабильные конденсированные кластеры. Модель горячего «газоподобного виртуального кластера» предложена в работе [99].
Целью работы, проводимой в рамках очередного этапа является разработка методик изучения перколяционных кластеров и получения фрактальных наноструктур при воздействии лазерного излучения различной длительности на мишени разного состава, в том числе, композиты. В частности, представлены результаты изучения фрактальных структур, возникающих при абляции графита, кремния, их бинарной смеси (CxSi1-x) и смеси кремния с кремнеземом (Six(SiO2)1-x).
Экспериментальная установка и методики
В экспериментах по исследованию лазерной абляции воздействие осуществлялось с использованием лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм и различной длительностью воздействия:
моноимпульс с энергией 14 мДж и длительностью 1 = 10 нс (ЛТИПЧ-8);
цуг из 7 - 10 наноимпульсов с длительностью 2 = 100 нс и энергией 0,14 Дж (лазер с насыщающемся фильтром γ-LiF);
квазинепрерывный импульс с длительностью 10 мс и энергией 100 Дж.
Эксперименты с разной длительностью воздействия проводились с целью выявления как общих закономерностей, так и особенностей, характерных для временного масштаба и плотности светового потока.
Каустика лазерного излучения формировалась сферической линзой с фокусным расстоянием f = 30 см. Радиусы фокальной области, соответственно приведенным выше импульсам, имели размеры 0.2-0.3 мм, 0.3-0.4 мм и 2 мм, и, следовательно, максимально достижимые плотности потоков составляли: 4.5·109, 1.6·109 и 3.2·105 Вт/см2. Ослабление лазерного потока осуществлялось нейтральными светофильтрами.
Максимальной эффективности образования наноструктур при воздействии миллисекундных импульсов соответствовала плотность потока на поверхности мишени, равная ~ 105 Вт/см2. Спад эффективности при большей плотности, очевидно, связан с разрушением фрактальных агрегатов лазерным излучением. Чтобы возникающие фрактальные структуры не разрушались падающим световым потоком, его интенсивность превышала порог абляции не более чем в несколько раз. При фокусировке моноимпульсного излучения в область, расположенную на расстоянии в несколько миллиметров перед поверхностью мишени, реализовался пробой буферного газа. В этом случае в плазме пробоя отсутствуют не только перколяционные кластеры, но и пары вещества мишени. Соответствующие эксперименты позволяют сопоставить ширину и контур атомарной линии, получаемой при оптическом пробое буферного газа и при лазерной абляции мишени. Напротив, расположение поверхности мишени на расстояниях, меньших фокальной длины, позволяло избежать пробоя буферного газа.
Мишень, испаряемая лазерным излучением, помещалась в герметичную камеру – стальной полый цилиндр с кварцевыми окнами и внутренней полостью, диаметр и длина которой составляли 25 и 150 мм, соответственно. Давление буферного газа в камере могло изменяться в пределах от 0.001 до 150 атм. В качестве буферного газа использовались как чистые газы водород, гелий и аргон, так и их смеси, что позволило сопоставить уширение линий для разных газов, наблюдаемых в отдельном эксперименте, и провести нормировку относительно наиболее изученного атома водорода.
Мелкодисперсная фаза, образованная на периферии плазменного факела, осаждалась после действия лазерного импульса на стеклянную подложку, расположенную горизонтально на дне камеры. Практически полное осаждение фрактальных микрокластеров и образование слоя на подложке завершалось через ~ 15 минут после воздействия. Для выделения структур, которые образуются в процессе воздействия и осаждаются на подложку в течение нескольких секунд после окончания лазерного импульса, производилась откачка буферного газа, содержащего мелкодисперсную фазу.
Морфология наноструктур исследовалась на оптическом микроскопе МПСУ-1У4.2. В случае кремния использовался также сканирующий электронный микроскоп CAM SCAN S-2, а в случае углерода - просвечивающий электронный микроскоп JEM-100U.
С целью изучения начальной стадии формирования фракталов (предфракталов, «горячих» кластеров) проводились исследования спектра и интенсивности свечения лазерной плазмы, распространяющегося в двух направлениях: продольном — навстречу лазерному потоку, и поперечном — перпендикулярно оси факела. В последнем случае изучалось свечение слоя плазмы, расположенного на заданном расстоянии от поверхности мишени с использованием спектральной насадки с дифракционной решеткой (600 штрихов). Регистрация спектра осуществлялась CCD-линейкой (3650 пикселей) через временной интервал, равный трем миллисекундам. Спектры изучались для диапазона длин волн 350 < λ < 900 нм с разрешаемым спектральным интервалом 0.08 нм. В продольном направлении, свечение всего объема, занятого плазмой, направлялось на вход спектрофлюориметра СФЛ-451, имеющего спектральный диапазон 400 < λ < 900 нм и разрешаемый интервал 6.4 нм. Одновременная регистрация свечения в поперечном и продольном направлениях позволила различить изменения в интенсивностях спектров, связанные с разрушением фрактальных структур, образования и локализации поглощающего слоя в периферийных слоях факела.
|
