Laser ablation

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 31. januar 2021; checks kræver 10 redigeringer .

Laserablation er en metode  til at fjerne et stof fra en overflade med en laserpuls . Ved lav lasereffekt fordamper eller sublimerer stoffet i form af frie molekyler, atomer og ioner, det vil sige, at der dannes et svagt plasma over den bestrålede overflade , normalt i dette tilfælde mørk, ikke-lysende (denne tilstand kaldes ofte laser desorption ). Når laserpulseffekttætheden overstiger ablationstilstandstærsklen, sker der en mikroeksplosion med dannelsen af ​​et krater på overfladen af ​​prøven og et glødende plasma sammen med ekspanderende faste og flydende partikler ( aerosol ). Laserablationstilstanden kaldes nogle gange også en lasergnist (svarende til den traditionelle elektriske gnist i analytisk spektrometri, se gnistudladning ).

Laserablation bruges i analytisk kemi og geokemi til direkte lokal og lag-for-lag analyse af prøver (direkte uden prøveforberedelse ). Ved laserablation overføres en lille del af prøveoverfladen til plasmatilstanden, og derefter analyseres den, for eksempel ved emissions- eller massespektrometrimetoder . Passende metoder til at analysere faste prøver er lasergnistemissionsspektrometri (LIES; eng . LIBS eller LIPS ) og lasergnistmassespektrometri (LIMS). På det seneste har LA-ICP-MS metoden ( induktivt koblet plasma massespektrometri med laserablation) været i rivende udvikling, hvor analysen udføres ved at overføre laserablationsprodukter (aerosol) til induktivt koblet plasma og efterfølgende påvisning af frie ioner i massespektrometer. De anførte metoder hører til gruppen af ​​metoder til analytisk atomspektrometri og til et mere generelt sæt af metoder til grundstofanalyse (se analytisk kemi ).

Laserablationsmetoden bruges til at bestemme koncentrationerne af både grundstoffer og isotoper . Den konkurrerer med ionsonden. Sidstnævnte kræver en meget mindre analyseret volumen, men er normalt meget dyrere.

Laserablation anvendes også til fin teknisk overfladebehandling og nanoteknologi (for eksempel ved syntese af enkeltvæggede kulstofnanorør ).

Terminologi

Udtrykket laserablation er meget udbredt i den videnskabelige litteratur inden for områder som tyndfilmproduktion, laserprøvetagning og materialebehandling. I den fysiske litteratur betegner udtrykket ablation (fra det latinske  ablatio "fjernelse") et sæt komplekse fysiske og kemiske processer, hvis resultat er fjernelse af et stof fra grænsefladen. Ifølge betydningen af ​​den latinske rod kan dette udtryk bruges til at beskrive enhver fjernelse af et stof. I denne henseende refererer udtrykket laserablation i bred forstand til processen med at fjerne et stof under påvirkning af laserstråling, herunder fjernelse af både fordampet materiale og flygtige kemiske ætsningsprodukter.

En alt for snæver fortolkning af begrebet kan også findes i litteraturen, når ablation forstås som processen med at fjerne et stof forårsaget af ødelæggelse af kemiske bindinger og dannelse af frie molekyler, atomer og ioner under påvirkning af lys. Det skal bemærkes, at begrebet ablation er tværfagligt og optrådte i litteraturen længe før fremkomsten af ​​lasere. Så det blev brugt til at beskrive processen med at fjerne et stof, når en metalprøve udsættes for en elektrisk udladning, varm gasstrøm eller plasma. Udtrykket ablativ beskyttelse inden for astronautik og luftfart forstås som en måde til effektivt at reducere overophedning af skrogelementer ved at udvinde varme til smeltning og fordampning af et lag af særligt beskyttende materiale. Derudover skal det bemærkes, at dette udtryk bruges i geologi og glaciologi til at betegne faldet i massen af ​​en gletsjer eller sne som følge af smeltning og fordampning.

De fleste forskere under udtrykket laserablation forstår processen med interaktion af laserstråling med et stof, hvor processen med smeltning, fordampning eller umiddelbart sublimering sker med dannelsen af ​​dampe og lavtemperaturplasma; Normalt er disse processer også ledsaget af udvidelsen af ​​partikler og dråber af det oprindelige stof.

De vigtigste karakteristiske træk ved laserablation er følgende:

  1. forbundet med den direkte absorption af laserpulsenergi i stoffet;
  2. resultatet er dannelsen af ​​en plasmasky;
  3. forekommer ved grænsefladen mellem den kondenserede og gasformige (eller vakuum) eller væskefase;
  4. har en tærskel.

Fordele ved

Laserablation bruges på en række områder:

Laserdampaflejring (LPD eller PLD  - pulseret laseraflejring) er en proces med hurtig smeltning og fordampning af et målmateriale som følge af eksponering for højenergilaserstråling, efterfulgt af overførsel af det sputterede materiale fra målet til substratet i vakuum og dets aflejring.

Fordelene ved metoden omfatter:

Beskrivelse af metoden

En detaljeret beskrivelse af LA-mekanismen er meget kompleks, selve mekanismen inkluderer processen med ablation af målmaterialet med laserbestråling, udvikling af en plasmafane indeholdende højenergi-ioner og elektroner samt krystalvækst af belægningen sig selv på underlaget. LA-processen som helhed kan opdeles i fire faser:

  1. interaktion af laserstråling med et mål - ablation af målmaterialet og skabelse af plasma;
  2. plasmadynamik - dens ekspansion;
  3. påføring af materialet på substratet;
  4. filmvækst på underlagets overflade.

Hvert af disse trin er afgørende for belægningens fysisk-mekaniske og kemiske parametre og dermed den biomedicinske ydeevne.

Fjernelsen af ​​atomer fra materialets volumen udføres ved fordampning af stoffets masse til overfladen. Der er en indledende emission af elektroner og ioner af belægningen, fordampningsprocessen er i sin natur oftest termisk. Indtrængningsdybden af ​​laserstråling afhænger i dette øjeblik af laserstrålingens bølgelængde og brydningsindekset for målmaterialet, såvel som målets porøsitet og morfologi.

Historie

De første værker om undersøgelse af laserablation blev udført siden fremkomsten af ​​lasere i 1962 i [1] . Det meste af arbejdet i 1960'erne brugte mikrosekunders laserimpulser. Til denne type blev der lavet en termisk model, som beskrev de observerede fænomener med høj nøjagtighed [2] . Udviklingen af ​​laserteknologi førte til, at det meste af arbejdet med laserablation i begyndelsen af ​​80'erne blev udført ved hjælp af nanosekunds laserimpulser. I det næste årti tog forskningen i picosekunders laserablation stigende fart. I de sidste 20 år er brugen af ​​lasere med femtosekunds pulsvarighed blevet bredt udviklet [3]

Plasma dynamik

På det andet trin udvider materialets plasma sig parallelt med normalen af ​​måloverfladen til substratet på grund af Coulomb-frastødningen. Plasmafanens rumlige fordeling afhænger af trykket inde i kammeret. Flammeformens afhængighed af tid kan beskrives i to trin:

  1. Plasmastrålen er smal og rettet fremad fra normalen til overfladen (varigheden af ​​processen er flere snesevis af picosekunder), der er praktisk talt ingen spredning, og støkiometrien er ikke overtrådt .
  2. Udvidelse af plasmabrænderen (varigheden af ​​processen er flere tiere af nanosekunder). Filmens støkiometri kan afhænge af den videre fordeling af ablationsmaterialet i plasmastrålen.

Plumdensiteten kan beskrives som en cosn(x)-afhængighed tæt på en Gauss-kurve. Ud over den stærkt retningsbestemte topfordeling observeres en anden fordeling, beskrevet af afhængigheden cosΘ [43, 46]. Disse vinkelfordelinger indikerer klart, at materialeinddragning er en kombination af forskellige mekanismer. Plasmaudvidelsesvinklen afhænger ikke direkte af effekttætheden og er hovedsageligt karakteriseret ved den gennemsnitlige ionladning i plasmastrømmen. Forøgelse af laserflowet giver en højere grad af plasmaionisering, et skarpere plasmaflow med en mindre ekspansionsvinkel. For plasma med ladningsioner Z=1 - 2 er ekspansionsvinklen Θ=24 ÷ 29°. Neutrale atomer aflejres hovedsageligt ved kanten af ​​filmpletten, mens ioner med høj kinetisk energi aflejres i midten. For at opnå homogene film skal kanten af ​​plasmastrømmen afskærmes. Ud over vinkelafhængigheden af ​​aflejringshastigheden observeres visse variationer i den støkiometriske sammensætning af det fordampede materiale afhængigt af vinklen Θ under afsætningen af ​​multikomponentfilm. En skarpt rettet topfordeling bevarer målets støkiometri, mens en bred fordeling er ikke-støkiometrisk. Som en konsekvens heraf er der under laseraflejring af multikomponentfilm altid støkiometriske og ikke-støkiometriske komponenter i plasmastrømmen, afhængigt af aflejringsvinklen.

Dynamikken af ​​plasmaudvidelse afhænger også af tætheden af ​​målet og dets porøsitet.

For mål fremstillet af det samme materiale, men af ​​forskellig tæthed og porøsitet, er tidsintervallerne for plasmaekspansion forskellige.

Det er vist, at ablationshastigheden langs udbredelsen af ​​laserstråling i et porøst stof er (1,5-2) gange højere end de teoretiske og eksperimentelle resultater for ablationshastigheden i et fast stof.

Teknologisk vigtige parametre for fly

Det er muligt at udskille de vigtigste vigtige teknologiske parametre for LA, som påvirker væksten, fysiske, mekaniske og kemiske egenskaber af film under aflejringen af ​​materialet på substratet:

Indtil videre er tre filmvækstmekanismer blevet beskrevet, der er egnede til ion-plasma vakuummetoder:

Ulemper ved metoden

Laserablationsmetoden har visse vanskeligheder forbundet med at opnå film af stoffer, der svagt absorberer (oxider af forskellige stoffer) eller reflekterer (en række metaller) laserstråling i det synlige og nær-IR-spektrale område. En væsentlig ulempe ved metoden er den lave udnyttelsesfaktor for målmaterialet, da dets intense fordampning sker fra en smal erosionszone bestemt af brændpunktets størrelse (~10 cm2), og som følge heraf et lille aflejringsområde (~10 cm2). Værdien af ​​målmaterialets effektivitet under laseraflejring er 1–2 % eller mindre. Dannelsen af ​​et krater i erosionszonen og dets uddybning ændrer den rumlige ekspansionsvinkel af stoffet, som et resultat af hvilken ensartetheden af ​​filmene forringes, både i tykkelse og sammensætning, og også deaktiverer målet, hvilket er særligt karakteristisk højfrekvent afsætning (pulsgentagelseshastighed af størrelsesordenen 10 kHz). Forbedring af ensartetheden af ​​film og forøgelse af målets levetid kræver brug af et højhastighedssystem (~1 m/s) med planparallel scanning af målet, hvilket gør det muligt at undgå overlapning af tilstødende brændpunkter, og som følge heraf lokal overophedning af målet og dannelsen af ​​dybe kratere på det, hvilket dog komplicerer designindretningen i kammeret og selve aflejringsprocessen betydeligt.

Se også

Noter

  1. ↑ F. Brech og L. Cross. Optisk mikroemission stimuleret af en Ruby MASER // Appl. Spectrosc.. - 1962. - Nr. 16 . - S. 59-61 .
  2. ↑ DA Sobol. Fasetransformationer og ablation i laserbehandlede faste stoffer. - Michigan: Wiley, 1995. - S. 332.
  3. ↑ S.I. Anisimov, B.S. Lukyanchuk. Udvalgte problemer i teorien om laserablation // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 2002. - Nr. 127 . - S. 301 .

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier