CC BY
26
УДК 538.9
ЛАЗЕРНАЯ НАНОАБЛЯЦИЯ ГРАФИТА В АТМОСФЕРЕ АРГОНА
В. Д. Фролов1'2, П. А. Пивоваров1, И. М. Тупицин2,
Е. В. Заведеев1'2, В. Г. Переверзев1'2, В. И. Конов1'2
Представлены результаты сравнительных исследований лазерной абляции высокоориентированного пиролитиче-ского графита на воздухе и в инертной атмосфере под действием, наносекундного импульсного лазерного облучения с энергетической плотностью в диапазоне E = 0.4 — 3 Дж/см2. Обнаружено, что ниже порога испарительной абляции (E < Ea & 1 Дж/см2) в обоих случаях устанавливается, режим наноабляции (средняя, скорость абляции менее 10_3 нм/импульс), при этом, скорость наноабляции в аргоне падает до 6 раз по сравнению с воздействиями на воздухе. Полученные экспери-ментальнеые данные свидетельствуют в пользу окислительного механизма, наноабляции графита.
Ключевые слова: лазерная наноабляции. газовая среда, графит.
Лазерная наноабляция процесс, в ходе которого под действием низкоинтенсивного светового потока удаляются отдельные кластеры и даже атомы вещества, представ-лявт несомненный фундаментальный интерес, и с практической точки зрения имеет высокий потенциал для ультрапрецизионной обработки материалов, включая стравливание одиночных атомарных слоев. Впервые эффект наноабляции был обнаружен в алмазе и алмазоподобньтх пленках [1. 2] и объяснен графитизацией их поверхности с последующим окислением. Атмосферный кислород играет здесь ключевую роль, и реакция окисления непосредственно связана с процессом удаления вещества.
Недавно нами было экспериментально установлено, что режим наноабляции реализуется также в высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ) при облу-
1 Институт общей физики РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: frolov@ran.gpi.ru, р _ pivovarov@hotmail. com.
2 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409, Москва, Каширское шоссе, 31.
чении митпени на воздухе лазерным пучком УФ и видимого диапазона с плотностью энергии за один импульс выше E0 ~ 0.4 Дж/см2 [3]. При превышении плотности лазерной энергии E порога Ea ~ 1 Дж/см2 наступает испарительный режим лазерной абляции [3, 4].
Предположительно, характер наноабляции графита аналогичен проявляющемуся в алмазе, т.е. механизм наноабляции базируется на процессе окисления облучаемой поверхности образца. Для проверки данной гипотезы в настоящей работе нами были проведены сравнительные исследования процесса лазерно-индуцированного удаления графита на воздухе и в атмосфере инертного газа Аг.
Опыты проводились в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Xtegra Spectra М при комнатной температуре. Образцы помещались в рабочую камеру, в которую либо напускался воздух, либо накачивался аргон под нормальным атмосферным давлением, при этом для повышения эффективности закачки сопло подачи аргона подводилось в область объектива, фокусирующего лазерное излучение (на расстояние ~1 см). Процесс напуска газов контролировался датчиком влажности. При напуске в камеру аргона относительная влажность RH падала и становилась близкой к RH = 0%. После выдержки в течение ~10 минут в данных условиях начинались эксперименты по абляции. Соответственно, при напуске воздуха в камеру дожидались установления равновесной ВЛАЖНОСТИ в области образца (~35-40%). В эксперименте использовался твердотельный Nd:YAG лазер с длиной волны А = 532 нм и длительностью импульса т = 7 не. Лазерные импульсы следовали с частотой f =1 кГц, время экспонирования графитового образца составляло 60 с (количество лазерных импульсов N = 6 • 104). Лазерный пучок фокусировался в пятно диаметром ~0.5 мкм на поверхность образца. Анализ морфологии кратеров нанометровой глубины осуществлялся с помощью сканирования области воздействия зондом СЗМ в режиме "tapping mode" до и сразу после окончания лазерного облучения.
В начале исследований было определено минимальное значение плотности энергии за один импульс, при которой уверенно фиксируются изменения рельефа поверхности материала в области лазерного воздействия (в основном, обнаружительная способность таких измерений определяется исходной шероховатостью поверхности образца). Это значение оказалось лежащим в интервале ~0.4-0.5 Дж/см2, в этом случае на поверхности проявлялись кратеры диаметром ~0.5 мкм и глубиной ~1 нм. Усредненная по большому числу импульсов скорость абляции составляла в среднем
~ 7 • 10 5 — 3 • 10 4 нм/импульс на воз духе и ^ 3 • 10 5 — 10 4 нм/импульс в атмосфере Аг, что говорит о применимости в данном случае к процессу термина "наноабляция".
55-
50 45 40
2 к
Й 35-
Он
Й 30 &
се 25-я
я "-<>
б 1510 50
-
■
\
- \ / / ^^—ч
- \ \ / У
- 1 \ 7 / 1 / ---А]
- в< )здух
-
-
■
-
--1- -1- -1- -1- -1-
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
X, мкм
Рис. 1: Профили кратеров при Е ~ 0.5 Дж/см2 на воздухе и в атмосфере Аг.
На рис. 1 представлены профили кратеров при плотности энергии лазерного излучения в импульсе Е ~ 0.6 Дж/см2. Видно, что кратеры, полученные в аргоновой среде, более мелкие (примерно в 2.5 раза), и область влияния лазерного излучения на поверхность образца уже, чем в случае воздушной среды.
Серия воздействий при различных энергиях лазерного излучения позволила установить зависимость глубины получаемых кратеров Б от плотности энергии в импульсе Е вплоть до величины Е = 3 Дж/см2. Данная зависим ость Б(Е), построенная для наглядности в двойном логарифмическом масштабе, представлена на рис. 2. Следует отметить, что порог испарительной абляции, установленный по перегибу зависимости Б(Е), а также прямыми наблюдениями плазменного факела в зоне лазерного воздействия, составляет Еа = 0.7 — 0.8 Дж/см2, и это значение находится в хорошем согласии с величиной порога испарительной абляции (Еа ~ 1 Дж/см2), найденному в предыдущих работах [3, 4].
Поведение кривых Б(Е), приведенных на рис. 2, наглядно демонстрирует, что в режиме наноабляции (Е < Еа) в аргоне происходит значительное (до 6 раз) снижение скорости абляции по сравнению с воздействиями на воздухе.
Рис. 2: Зависимость глубины кратеров в графите от плотности энергии в лазерном импульсе на воздухе и в атмосфере Ат.
Таким образом, полученные данные явно свидетельствуют в пользу реактивного механизма лазерной наноабляции графита на воздухе. По-видимому, скорость наноаб-ляции в этом случае определяется, как и в алмазе, низкотемпературным окислением на поверхности графита как исходных (до лазерного облучения), так и индуцированных (в результате лазерного воздействия) дефектов.
При превышении Еа зависимоети Б(Е) практически сливаются, что говорит о переходе к испарительному механизму удаления материала в обоих случаях. Обращает на себя внимание наблюдаемая в интервале Е = 2 — 3 Дж/см2 тенденция к более быстрому росту скорости абляции в аргоне, чем на воздухе (см. ход соответствующих кривых на рис. 2). Вероятно, этот эффект обусловлен более эффективным процессом ионизации воздуха, чем аргона (потенциалы ионизации азота, кислорода и аргона 14.5, 12.1 и 15.7 эВ соответственно [5]). При уровнях Е ~ 2 — 3 Дж/см2 интенсивность излучения становится близкой к пороговой для оптического пробоя газа 1В, которая составляет около 108 — 109 Вт/см2 при инициировании плазмы вблизи испаряющейся мишени, в результате чего падающее лазерное излучение частично экранируется [6]. В аргоне плотность плазмы меньше, и большая доля лазерного импульса доходит до поверхности графита не рассеянной и не поглощенной, обеспечивая большую скорость абляции.
Настоящая работа поддержана Российским научным фондом, проект Л"2 14-22-00243.
ЛИТЕРАТУРА
[1] V. I. Konov, Laser Photon. Rev. 6(6), 739 (2012).
[2] M. S. Komlenok, V. V. Kononenko, V. G. Ralchenko, et al., Physics Procedía 12. 37 (2011).
[3] V. D. Frolov. P. A. Pivovarov. E. V. Zavedeev. et al.. Applied Physics A 114(1). 51 (2014).
[4] R. Windholz, P. A. Molian, J. of Materials Science 3(2), 4295 (1997).
[5] G. Hanel, B. Gstir, T. Fiegele et al., J. Chem. Phys. 116, 2456 (2002).
[6] R. E. Russo, X. L. Mao, M. Caetano, M. A. Shannon, Applied Surface Science 96-98, 144 (1996).
Поступила в редакцию 27 октября 2014 г.
