Laser ablation

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 31 januari 2021; kontroller kräver 10 redigeringar .

Laserablation är en metod  för att ta bort ett ämne från en yta med en laserpuls . Vid låg lasereffekt avdunstar eller sublimerar ämnet i form av fria molekyler, atomer och joner, det vill säga en svag plasma bildas ovanför den bestrålade ytan , vanligtvis i det här fallet mörk, icke-ljusande (det här läget kallas ofta laser desorption ). När laserpulsens effekttäthet överstiger tröskelvärdet för ablationsläge, inträffar en mikroexplosion med bildandet av en krater på ytan av provet och en glödande plasma tillsammans med expanderande fasta och flytande partiklar ( aerosol ). Laserablationsläget kallas ibland också för en lasergnista (liknande den traditionella elektriska gnistan inom analytisk spektrometri, se gnistanladdning ).

Laserablation används inom analytisk kemi och geokemi för direkt lokal och lager-för-lager-analys av prover (direkt utan provberedning ). Vid laserablation överförs en liten del av provytan till plasmatillstånd och sedan analyseras den, till exempel med emissions- eller masspektrometrimetoder . Lämpliga metoder för att analysera fasta prover är lasergnistamissionsspektrometri (LIES; eng . LIBS eller LIPS ) och lasergnistamasspektrometri (LIMS). På senare tid har LA-ICP-MS-metoden ( induktivt kopplad plasmamasspektrometri med laserablation) utvecklats snabbt, där analysen utförs genom att överföra laserablationsprodukter (aerosol) till induktivt kopplad plasma och efterföljande detektering av fria joner i masspektrometer. De listade metoderna tillhör gruppen av metoder för analytisk atomspektrometri och till en mer generell uppsättning metoder för elementaranalys (se analytisk kemi ).

Laserablationsmetoden används för att bestämma koncentrationerna av både grundämnen och isotoper . Den konkurrerar med jonsonden. Det senare kräver en mycket mindre analyserad volym, men är vanligtvis mycket dyrare.

Laserablation tillämpas också på finteknisk ytbehandling och nanoteknik (till exempel vid syntes av enkelväggiga kolnanorör ).

Terminologi

Termen laserablation används ofta i den vetenskapliga litteraturen inom områden som tunnfilmsproduktion, laserprovtagning och materialbearbetning. I den fysiska litteraturen betecknar termen ablation (från latinets  ablatio "borttagning") en uppsättning komplexa fysikaliska och kemiska processer, vars resultat är avlägsnandet av ett ämne från gränsytan. Enligt betydelsen av den latinska roten kan denna term användas för att beskriva alla avlägsnande av ett ämne. I detta avseende hänvisar termen laserablation i vid mening till processen att avlägsna ett ämne under inverkan av laserstrålning, inklusive avlägsnande av både förångat material och flyktiga kemiska etsprodukter.

En alltför snäv tolkning av termen kan också hittas i litteraturen, när ablation förstås som processen att avlägsna ett ämne som orsakas av förstörelsen av kemiska bindningar och bildandet av fria molekyler, atomer och joner under inverkan av ljus. Det bör noteras att termen ablation är tvärvetenskaplig och förekom i litteraturen långt innan lasern kom. Så det användes för att beskriva processen att ta bort ett ämne när ett metallprov utsätts för en elektrisk urladdning, het gasflöde eller plasma. Termen ablativt skydd inom astronautik och luftfart förstås som ett sätt att effektivt minska överhettning av flygkroppselement genom att utvinna värme för smältning och förångning av ett lager av speciellt skyddsmaterial. Dessutom bör det noteras att denna term används inom geologi och glaciologi för att beteckna minskningen av massan av en glaciär eller snö som ett resultat av smältning och avdunstning.

De flesta forskare under termen laserablation förstår processen för interaktion mellan laserstrålning och ett ämne, där processen för smältning, förångning eller omedelbart sublimering sker med bildandet av ångor och lågtemperaturplasma; Vanligtvis åtföljs dessa processer också av expansion av partiklar och droppar av den ursprungliga substansen.

De huvudsakliga egenskaperna hos laserablation är följande:

  1. associerad med den direkta absorptionen av laserpulsenergi i ämnet;
  2. resultatet är bildandet av ett plasmamoln;
  3. förekommer vid gränsytan mellan den kondenserade och gasformiga (eller vakuum) eller vätskefasen;
  4. har en tröskel.

Fördelarna med

Laserablation används inom en mängd olika områden:

Laser vapor deposition (LPD eller PLD  - pulsed laser deposition) är en process av snabb smältning och förångning av ett målmaterial som ett resultat av exponering för högenergilaserstrålning, följt av överföring av det förstoftade materialet från målet till substratet i vakuum och dess avsättning.

Fördelarna med metoden inkluderar:

Beskrivning av metoden

En detaljerad beskrivning av LA-mekanismen är mycket komplex, själva mekanismen inkluderar processen för ablation av målmaterialet med laserbestrålning, utvecklingen av en plasmaplym som innehåller högenergijoner och elektroner, såväl som kristalltillväxten av beläggningen sig på underlaget. LA-processen som helhet kan delas in i fyra steg:

  1. interaktion av laserstrålning med ett mål - ablation av målmaterialet och skapande av plasma;
  2. plasmadynamik - dess expansion;
  3. applicering av materialet på substratet;
  4. filmtillväxt på substratytan.

Vart och ett av dessa steg är avgörande för beläggningens fysikalisk-mekaniska och kemiska parametrar, och därmed den biomedicinska prestandan.

Avlägsnandet av atomer från materialets volym utförs genom förångning av ämnets massa till ytan. Det finns en initial emission av elektroner och joner i beläggningen, förångningsprocessen till sin natur är oftast termisk. Laserstrålningens inträngningsdjup för närvarande beror på laserstrålningens våglängd och målmaterialets brytningsindex, såväl som målets porositet och morfologi.

Historik

De första arbetena på studien av laserablation utfördes sedan tillkomsten av lasrar 1962 i [1] . Det mesta av arbetet på 1960-talet använde mikrosekundlaserpulser. För denna typ skapades en termisk modell, som beskrev de observerade fenomenen med hög noggrannhet [2] . Utvecklingen av laserteknik ledde till att det mesta av arbetet med laserablation i början av 80-talet utfördes med hjälp av nanosekundlaserpulser. Under det kommande decenniet tog forskningen om pikosekundlaserablation allt större fart. Under de senaste 20 åren har användningen av lasrar med en femtosekunds pulslängd utvecklats brett [3]

Plasmadynamik

I det andra steget expanderar materialets plasma parallellt med målytans normal till substratet på grund av Coulomb-avstötningen. Den rumsliga fördelningen av plasmaplymen beror på trycket inuti kammaren. Flamformens beroende av tid kan beskrivas i två steg:

  1. Plasmastrålen är smal och riktad framåt från normalen till ytan (processens varaktighet är flera tiotals pikosekunder), det finns praktiskt taget ingen spridning och stökiometrin bryts inte .
  2. Expansion av plasmafacklan (processens varaktighet är flera tiotals nanosekunder). Filmens stökiometri kan bero på den ytterligare fördelningen av ablationsmaterialet i plasmastrålen.

Plymdensiteten kan beskrivas som ett cosn(x)-beroende nära en Gauss-kurva. Förutom den starkt riktade toppfördelningen observeras en andra fördelning, beskriven av beroendet cosΘ [43, 46]. Dessa vinkelfördelningar indikerar tydligt att materialindragning är en kombination av olika mekanismer. Plasmaexpansionsvinkeln beror inte direkt på effekttätheten och kännetecknas huvudsakligen av den genomsnittliga jonladdningen i plasmaflödet. Att öka laserflödet ger en högre grad av plasmajonisering, ett skarpare plasmaflöde med en mindre expansionsvinkel. För plasma med laddningjoner Z=1 - 2 är expansionsvinkeln Θ=24 ÷ 29°. Neutrala atomer deponeras huvudsakligen vid kanten av filmfläcken, medan joner med hög kinetisk energi deponeras i mitten. För att få homogena filmer måste kanten av plasmaflödet avskärmas. Förutom vinkelberoendet av avsättningshastigheten observeras vissa variationer i den stökiometriska sammansättningen av det förångade materialet beroende på vinkeln Θ under avsättningen av flerkomponentfilmer. En skarpt riktad toppfördelning bevarar målets stökiometri, medan en bred fördelning är icke-stökiometrisk. Som en konsekvens, under laseravsättning av flerkomponentfilmer, finns det alltid stökiometriska och icke-stökiometriska komponenter i plasmaflödet, beroende på avsättningsvinkeln.

Dynamiken för plasmaexpansion beror också på målets densitet och dess porositet.

För mål gjorda av samma material, men med olika densitet och porositet, är tidsintervallen för plasmaexpansion olika.

Det visas att ablationshastigheten längs utbredningen av laserstrålning i en porös substans är (1,5-2) gånger högre än de teoretiska och experimentella resultaten för ablationshastigheten i en fast substans.

Tekniskt viktiga parametrar för flygplan

Det är möjligt att peka ut de viktigaste viktiga tekniska parametrarna för LA, som påverkar tillväxten, fysikaliska, mekaniska och kemiska egenskaper hos filmer under avsättningen av materialet på substratet:

Hittills har tre filmtillväxtmekanismer beskrivits som är lämpliga för jonplasmavakuummetoder:

Nackdelar med metoden

Laserablationsmetoden har vissa svårigheter förknippade med att erhålla filmer av ämnen som svagt absorberar (oxider av olika ämnen) eller reflekterar (ett antal metaller) laserstrålning i det synliga och nära IR-spektrala området. En betydande nackdel med metoden är den låga utnyttjandefaktorn för målmaterialet, eftersom dess intensiva avdunstning sker från en smal erosionszon som bestäms av storleken på brännpunkten (~10 cm2), och som ett resultat, en liten deponeringsyta (~10 cm2). Värdet på målmaterialets effektivitet under laseravsättning är 1–2 % eller mindre. Bildandet av en krater i erosionszonen och dess fördjupning ändrar den rumsliga expansionsvinkeln för ämnet, vilket resulterar i att filmernas enhetlighet försämras, både i tjocklek och sammansättning, och även inaktiverar målet, vilket är särskilt karakteristiskt av högfrekvent avsättning (pulsupprepningshastighet i storleksordningen 10 kHz). För att förbättra likformigheten hos filmer och öka livslängden på målet kräver användningen av ett höghastighetssystem (~1 m/s) för planparallell skanning av målet, vilket gör det möjligt att undvika överlappning av intilliggande brännpunkter, och som ett resultat lokal överhettning av målet och bildandet av djupa kratrar på det, vilket dock avsevärt komplicerar designen i kammaren och själva deponeringsprocessen.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ F. Brech och L. Cross. Optisk mikroemission stimulerad av en Ruby MASER // Appl. Spectrosc.. - 1962. - Nr 16 . - S. 59-61 .
  2. ↑ SV Sobol. Fastransformationer och ablation i laserbehandlade fasta ämnen. - Michigan: Wiley, 1995. - S. 332.
  3. ↑ S.I. Anisimov, B.S. Lukyanchuk. Utvalda problem i teorin om laserablation // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 2002. - Nr 127 . - S. 301 .

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk