Лазерное испарение медной плёнки, полученной по электродинамической дисперсной технологии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.211

Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 1 (59). 2014. Вып. 3

Ю. И. Анисимов, Д. В. Скворцов, Е. Л. Рябчиков, П. А. Петров

ЛАЗЕРНОЕ ИСПАРЕНИЕ МЕДНОЙ ПЛЁНКИ, ПОЛУЧЕННОЙ ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Санкт-Петербургский государственный университет, 199034, Санкт-Петербург, Российская Федерация

Проводится анализ возможности создания квазинепрерывного источника паров вещества с замкнутым циклом на основе плёнки, напылённой по электродинамической дисперсной технологии. Приведены результаты исследования полученной медной плёнки и экспериментального исследования электрических импульсов в напылённой разрядной трубке, опробован метод испарения плёнки лазерным излучением, дана оценка перспективам метода. Описан эксперимент по испарению медной плёнки со средней толщиной 1—2 мкм в трубке длиной 300 мм и внутренним диаметром 10 мм электрическим разрядом с максимальной силой тока 11 кА и излучением лазерного диода с длиной волны 445 нм и выходной мощностью 750 мВт. Библиогр. 9 назв. Ил. 4.

Ключевые слова: ЭДДС, электродинамическая дисперсная система, электрический разряд, медная плёнка, лазерное испарение.

Yu. I. Anisimov, D. V. Skvortsov, Ye. L. Ryabchikov, P. A. Petrov

LASER EVAPORATION OF THE COPPER LAYER OBTAINED VIA ELECTRODYNAMIC DISPERSION TECHNOLOGY

St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, Russian Federation

The possibility of creation of a quasicontinuous source of vapors based on electrodinamic disperse technology is analyzed. Results of the investigation of thin copper film produced by this way and of the experimental research of electric pulses in discharge tube are shown. Method of copper film evaporation by laser beam is tested. An assessment of considered method prospects is made. An experiment of evaporation of a thin copper film with a thickness of1—2 ^m in discharge tube with a length of 300 mm and an inner diameter of 10 mm by electrical discharge (maximum current 11 kA) and by the emission of laser diode (wavelength 445 nm and power 750 mW). Refs 9. Figs 4.

Keywords: EDDS, electrodynamical disperse system, electrical discharge, copper thin film, laser evaporation.

Вопросам создания и применения электродинамических дисперсных (ЭДД) взвесей частиц вещества в откачиваемых до форвакуума кварцевых разрядных трубках (РТ) посвящён ряд публикаций [1—4]. Под ЭДД технологией понимается создание ЭДД взвеси внутри РТ, вложение в неё электрической энергии, приводящее к образованию однородного покрытия внутри РТ, использование его для получения высоких концентраций паров химических элементов. При исследовании импульсного электрического разряда в откачиваемой до 5 • 10-2 торр кварцевой трубке с уже нанесённой гальванически несвязанной медной плёнкой толщиной около 1 мкм была измерена интегральная интенсивность свечения остаточного воздуха и испаряемого вещества внутри РТ (рис. 1). Импульс тока, датчиком последнего служил пояс Роговского [5], в зависимости от времени разряда представлен на рис. 2. Регистрация в обоих случаях велась на цифровой осциллограф Tektronix TDS1001B, синхронизированный с электрическим разрядом. Экспериментальные сигналы обработаны в среде Origin 7, пропущены через цифровой фильтр с целью устранения наводки от электрического разряда в трубке. Импульс тока в РТ с медным напылением достигает 11 кА и длится около 25-30 мкс.

Время, мкс

Рис. 1. Зависимость интегральной интенсивности свечения разряда от времени

Время, мкс

Рис. 2. Зависимость силы тока в разряде от времени

Его максимум в 11 кА достигается на 3-4-й микросекунде разряда. В то же время интегральная интенсивность свечения РТ длится 60-65 мкс. Её максимум достигается к 9-й микросекунде. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими оценками по поясу Роговского [5] и по параметрам разрядной батареи [4].

В результате импульсных электрических разрядов в кварцевых трубках с напылением наблюдается выброс вещества на окошки РТ. Исследования проведены с металлическими порошками Си, А1, W, N1. В представленной работе выполнены исследования и лазерное испарение медной плёнки на окошках РТ:

— на оптическом микроскопе в прошедшем и отражённом свете;

— на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ);

— на электронном микроскопе.

Результаты по визуализации медной плёнки следующие: при импульсном напылении — относительно неоднородная медная плёнка «чешуйчатого» характера со средней

Рис. 3. Вид медной плёнки через электронный микроскоп

толщиной 1-2 мкм (рис. 3). Это подтверждает наше предположение о «гальванически» несвязанной медной плёнке, т. е. о её «плохих» электрических и теплопроводных свойствах. Так, экспериментально обнаружено, что металлические плёнки из А1 и Си позволяют создавать ЭДД взвесь в уже напылённых РТ [4]. На данном этапе нас интересует возможность создания квазинепрерывного источника паров вещества внутри РТ с напылением по ЭДД технологии. Мощное внешнее лазерное излучение испаряет часть внутренней плёнки оптически прозрачной РТ, создавая пары, которые тормозятся буферным газом, непрерывность обеспечивается за счёт механического сканирования РТ относительно лазерного луча. Испаряемые лазерным излучением пары вещества вновь осаждаются на внутренней поверхности РТ, обеспечивая замкнутость процесса. Такой квазинепрерывный метод получения паров исследуемого вещества может найти применение в различных областях лазерной физики (создание активных сред, исследование когерентных явлений).

В этой работе речь идёт о РТ с медным напылением. По ЭДД технологии 40 мг меди наносится на внутреннюю поверхность оптически прозрачной трубки длиной 300 мм и внутренним диаметром 10 мм. Оценочное значение энергии, требуемой для испарения 40 мг плёнки, составляет 240 Дж. Для испарения медной плёнки площадью 1 мм2 требуется энергия 27 мДж. Простейший лазерный диод мощностью 27 мВт выдаёт эту энергию за 1 с. Дело существенно осложняется при рассмотрении уравнения энергетического баланса. К медной плёнке площадью 1 мм2 подводится энергия внешнего лазерного излучения, сфокусированного на внутренней поверхности кварцевой откачанной РТ. Рассмотрим каналы диссипации:

— отражение лазерного излучения металлической медной плёнкой. Коэффициент отражения для видимого диапазона (ВД) очень сильно зависит от длины волны лазера [6] и растёт с длиной волны, поэтому выгодно использовать коротковолновое лазерное излучение для ВД;

— существенная доля поглощённой энергии непрерывного лазерного излучения уйдёт на нагрев всей плёнки РТ, положительный обнадёживающий момент заключается в том, что у нас «плохая», с точки зрения теплопроводности, плёнка, ведь внутри РТ с металлическим напылением всё ещё может быть создана ЭДД взвесь. Кроме того, толщина этой плёнки не превосходит 1 мкм;

— часть поглощённой энергии уходит на излучение;

— лазерное излучение проходит через кварцевую стенку РТ, что требует учёта теплопроводности кварца.

При таком энергетическом балансе должна быть достигнута локальная температура плёнки, по крайней мере, равная температуре плавления меди 1356,6 К. Грубые оценки показывают, что для испарения медной плёнки требуется непрерывный лазер сине-зелёного диапазона с мощностью не меньше нескольких ватт. Мы использовали лазерный диод на 445 нм с выходной мощностью 750 мВт и временем непрерывной работы 40 с. Лазерное излучение с помощью объектива оптического микроскопа фокусировалось на поверхность медной плёнки толщиной 1-2 мкм и за сотни микросекунд «прожигало» её, образуя «кратер» диаметром около 100 мкм. Сканирование окошка РТ с медным напылением относительно лазерного луча позволило прожечь канал длиной 10 мм и шириной 100 мкм. Фотография фрагмента медной плёнки с прожжённым каналом в прошедшем свете оптического микроскопа приведена на рис. 4. При тщательном исследовании медной плёнки на СЗМ на дне канала были обнаружены шаровые включения меди размером 10-100 нм.

Рис. 4. Трек лазерного луча на медной плёнке: толщина трека около 100 мкм

Вопросам взаимодействия мощного лазерного импульсного излучения с твёрдым телом посвящено большое количество работ [7-9]. Быстрое импульсное вложение лазерной энергии позволяет фактически игнорировать уход энергии по каналу теплопроводности «остова» металла вплоть до 10 мкс [7]. Практическое применение эти исследования нашли в задачах лазерного термоядерного синтеза, а также в таких прозаических вещах, как лазерная резка и сварка металла, т. е. лазерная абляция металлов. Полученные результаты являются обнадеживающими для построения квазинепрерывного источника паров вещества с замкнутым циклом.

Литература

1. Анисимов Ю. И., Машек А. Ч., МетельскийК. Е, Рябчиков Е. Л. Лазеры на электродинамических дисперсных средах // Опт. и спектр. 2009. Т. 107. Вып. 3. С. 394—397.

2. Анисимов Ю. И., Машек А. Ч., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Импульсное получение паров металлов на основе электродинамических дисперсных сред // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2010. Вып. 2. С. 28-31.

3. Анисимов Ю. И., Машек А. Ч., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Безэлектродный электрический разряд в электродинамических дисперсных системах // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2012. Вып. 2. С. 113-114.

4. АнисимовЮ. И., Машек А. Ч., Метельский К. Е., Рябчиков Е. Л. Лазеры на основе ЭДД технологии: методич. пособие. СПб., 2012. 36 с.

5. Хаддлстоун А., Леонард С. Диагностика плазмы / пер. с англ. М., 1967. 516 с.

6. Золотарёв В. М., Морозов В. Н., Смирнова Е. В. Оптические постоянные природных и технических сред: справочник. Л., 1984. 216 с.

7. Мажукин В. И. Исследование неравновесного импульсного нагрева металлов лазерным излучением. М., 1990. 45 с.

8. Григорьян А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М., 1989. 304 с.

9. КоротеевН. И., ШумайИ.Л. Физика мощного лазерного излучения. М., 1991. 312 с.

Статья поступила в редакцию 11 марта 2014 г.

Контактная информация

Анисимов Юрий Иванович — кандидат физико-математических наук, доцент; e-mail: yuanis@mail.ru

Скворцов Денис Владимирович — студент; e-mail: den.skvor@gmail.com

Рябчиков Егор Львович — e-mail: yegor001@mail.ru

Петров Павел Александрович — e-mail: petrov-pave1@yandex.ru

Anisimov Yuriyj Ivanovich — Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor; e-mail: yuanis@mail.ru

Skvortsov Denis Vladimirovich — student; e-mail: den.skvor@gmail.com Ryabchikov Yegor L'vovich — e-mail: yegor001@mail.ru Petrov Pavel Alexandrovich — e-mail: petrov-pave1@yandex.ru