Формирование поверхностных микро и нано структур при лазерной абляции металла в среде жидкого азота

Эксперименты по лазерной абляции металлической мишени в жидкости, как правило, разделяют на две части. К первой части относится получение продуктов лазерной абляции в жидкой среде(дистиллированная вода, этиловый спирт) [1, 2]. Ко второй части относится изменение морфологии поверхности мишени после взаимодействия со сфокусированным лазерным излучением [2].

Получение микро и наноструктур на поверхности мишени при лазерной абляции металлов в жидких средах хорошо известно [2-4]. При изучении процесса их образования основное внимание в литературе уделяется длине волны, плотности мощности лазерного излучения, длительности и частоте следования лазерных импульсов. Однако, вопросы формирования структур на поверхности металлических мишеней при использовании жидкостей находящихся при криогенной температуре рассматриваются в меньшей степени.

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Модификация поверхности проводилась с использованием методики лазерной абляции стационарным пучком в жидкости при криогенной температуре [5].

Излучение пикосекундного лазера RL PQ 30\300 с длиной волны 1064 нм, длительностью

Яресько Павел Сергеевич, инженер, аспирант СамГУ.

E-mail: yarepav@gmail

Нестеров Игорь Геннадьевич, инженер-исследователь импульса 250пс, средней энергией в импульсе ~ 30 мДж фокусировалось объективом на поверхность золотой или медной мишени находящуюся в среде жидкого азота. Частота следования импульсов 5 Гц. Плотность энергии варьировалась от 15 до 300 Дж/см2.

Для регистрации изменения морфологии поверхности использовался сканирующий электронный микроскоп Carl Zeiss EVO 50.

На рис. 1а представлена обзорная фотография поверхности золотого образца после облучения мишени в течении 5 мин излучением Nd:YAG лазера (E = 30мДж, ν =5Гц). Плотность энергии на поверхности мишени 40 Дж/см².

При облучении Au мишени наблюдается формирование структур различного масштаба. Основная доля структур на поверхности образца имеет субмикронный размер.

Увеличенный фрагмент области облучения представлен на рис. 1б. В отличие от структур образующихся при сканировании образца [2] не наблюдается формирования глубоких каналов связанных с эффектом кинжального проплавления. Структуры формируются одновременно по всей площади образца.

Характерная субмикронная размерность структур на золотой мишени значительно меньше размера лазерного пятна (~3х3 мм) на поверхности мишени. На изображении (рис. 1б) наблюдаются сферические образования, размер которых составляет от 10 до 200 нм.

Одним из основных параметров лазерной абляции является создаваемая плотность энергии излучения на поверхности образца. Для экспериментального определения степени влияния плотности энергии излучения Nd:YAG лазера на размерность образующихся структур при лазерной абляции в среде жидкого азота, использовалась медная мишень. Исходная поверхность ми-

• а)                                                    б)

Рис. 1. а – обзорное изображение поверхности золотой мишени после лазерной абляции в среде жидкого азота. Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 1 мкм; б – изображение поверхности золотой мишени после лазерной абляции в среде жидкого азота. Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 300 нм шени представлена на рис. 2. Структура поверхности связана с процессом изготовления образца.

При использовании плотности энергии порядка 300 Дж/см2 наблюдается активное плавление и выброс материала образца в окружающую криогенную жидкость. При этом на поверхности мишени происходит формирование глубокого кратера.

При уменьшении плотности энергии на поверхности мишени до 50 Дж/см2 наблюдается формирование микроструктур, типичная фотография которых представлена на рис. 3.

Структуры характеризуются капливидной формой, в ряде структур оканчиваются сферическим образованием. На поверхности также наблюдаются сферические частицы меди субмикронного и нанометрового масштаба.

В случае уменьшения плотности энергии до

Рис. 2. Изображение исходной поверхности медной мишени. Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 20 мкм.

Рис. 3. Изображение поверхности медной мишени после лазерной абляции в среде жидкого азота. Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 1мкм. Плотность энергии 50 Дж/см²

• 15 Дж/см² наблюдаются равномерное покрытие поверхности пятна субмикронными структурами, характерное изображение которых представлено на рис. 4.

Как и в случае золотой мишени, характерная субмикронная размерность структур на медной мишени значительно меньше размера лазерного пятна на поверхности мишени. Структуры заканчиваются сферообразными вершинами, являющимися центрами выноса расплавленного вещества в окружающую жидкость. Однако на периферии лазерной абляции с изменением плотности энергии изменяется и геометрия наблюдаемых структур.

Изображение структур обнаруженных на периферии лазерного пятна представлено на рис. 5а. При анализе наклоненного образца отчетливо

Рис. 4. Изображение поверхности медной мишени после лазерной абляции в среде жидкого азота. Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 10мкм и 1мкм соответственно. Плотность энергии 15 Дж/см².

а)                                                      б)

Рис. 5. а – изображение поверхности медной мишени после лазерной абляции в среде жидкого азота. Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 10 мкм и 1 мкм соответственно; б –изображение поверхности медной мишени после лазерной абляции в среде жидкого азота.

Сканирующий электронный микроскоп, масштабная метка 2 мкм разрешается форма образующихся структур, рис. 5б. При измерении расстояния между структурами средний период составил 1.5 мкм.

Энергодисперсионный анализ области облу- чения образца свидетельствует об отсутствии загрязнений и о частичном образовании оксида меди при контакте структур с окружающей средой при извлечении образца из жидкого азота (рис. 6).

Рис. 6. Электронное изображение и данные энергодисперсионного анализа участка облученной поверхности медного образца в среде жидкого азота.

Анализ поверхности структуры проводился через 10 мин после извлечения образца. По-всей видимости процесс окисления структур проявится при более длительном нахождении образца «на воздухе».

Таким образом были экспериментально получены микро и нано структуры на поверхности медной и золотой мишеней в среде жидкого азота. Размер структур варьируется от 10 нм до 5мкм. Показаны различия в форме и размере образующихся структур в зависимости от плотности энергии лазерного излучения на поверхности мишеней Средний период структур при плотности энергии 15 Дж/см2 составил 1.5 мкм.