CC BY
9УДК 53.043, 535.3
Модификация поверхности никеля фемтосекундными лазерными импульсами
Б.Б. Костишко, В.В. Светухин, И.О. Явтушенко
Научно-исследовательский технологический институт
им. С.П. Капицы Ульяновского государственного университета
Modification of Nickel Surface Due to Femtosecond Laser Pulses
B.B. Kostishko, V.V. Svetukhin, I.O. Yavtushenko
Ulyanovsk State University
S.P.Kapitsa Technological Research Institute
Представлены экспериментальные данные формирования периодической субмикронной структуры на поверхности поликристаллического никеля (Ni) под действием лазерного излучения на воздухе и в жидкой среде (дистиллированной воде). Методами электронной микроскопии определена геометрия образующихся поверхностных структур: при облучении на воздухе структура формируется над основной поверхностью образца, а при облучении в жидкости - ниже нее. Определен размер наночастиц чистого Ni, образующихся при лазерной абляции никелевого образца в жидкости.
Ключевые слова: лазерное структурирование; наноструктуры; наночастицы; плазмон-поляритон.
The experimental data of the submicron periodic structures that are due to the laser radiation in air in a liquid medium (distilled water) on the surface of the polycrystalline nickel formed have been presented. By the electron microscopy methods the geometry of the formed surface structures has been defined: under irradiation in the air the structure is formed above the sample main surface, and under irradiation in liquid - below. The size of the pure nickel nano-particles, produced by laser ablation formed by laser ablation of the nickel sample in liquid, has been measured.
Keywords: laser structuring; nanostructures, nanoparticles; plasmon-polariton.
Введение. Лазерная модификация поверхности материалов [1-3] актуальна в настоящее время в связи с важностью решаемых задач и перспективностью возможных приложений. Под воздействием лазера, в зависимости от его интенсивности и длины волны, в зоне облучения могут наблюдаться следующие эффекты: подплавление, абляция и изменение структуры поверхности, например образование микрорельефа, а также фазовые превращения второго рода, например изменение проводимости [4]. С развитием лазерной техники возможно управляемое микро- и наноструктурирование поверхно-
© Б.Б. Костишко, В.В. Светухин, И.О. Явтушенко, 2016
сти различных материалов [3] благодаря эффектам, связанным с возникновением на границе раздела материалов поверхностных электромагнитных волн плазмон-поляритонного типа и их интерференцией с первичным лазерным излучением [2, 5] (так называемая плазмон-поляритонная модель (ППМ)). Формируемые поверхностные периодические структуры могут представлять собой дорожки (линейно-периодический, одномерный, рельеф), микроострия или микрократеры (двухмерный рельеф), вследствие чего находят много приложений в микросенсорике, нанофотонике и нанотехноло-гиях.
С развитием лазерной физики осваиваются новые диапазоны излучения лазеров как по длинам волн и предельным ультракоротким длительностям импульсов, так и по рекордным интенсивностям, что открывает возможности для новых эффектов и применений. Известно, что уменьшение длительности импульсов до десятков фемтосекунд позволяет практически полностью исключить термические эффекты [4]. Формирующийся под воздействием лазера линейно-периодический рельеф, с хорошей точностью описываемый в рамках ППМ, экспериментально наблюдается на металлах с низкой теплопроводностью и высокой температурой плавления - титане [6], стали [7] либо на полупроводниковых монокристаллах кремния, германия [1, 8]. Однако при переходе к другим материалам возникают экспериментальные и физические ограничения в получении четко упорядоченного рельефа на поверхности облучаемых материалов.
В настоящей работе описаны условия получения линейно-периодической структуры на поверхности поликристаллического никеля (N1) под действием фемтосекундных лазерных импульсов.
Эксперимент. Особенность экспериментов - использование иттербиевого волоконного лазера с длиной волны X = 1064 нм, пиковой мощностью Ж = 10 МВт, длительностью импульсов т = 300 фс и регулируемой частотой их следования V в диапазоне 1 кГц - 1 МГц. С помощью линейно-поляризованного излучения (р-поляризации) лазера обрабатывалась пластина чистого N1 на воздухе и при погружении в дистиллированную воду.
Облучаемая поверхность (торец цилиндра) предварительно подвергалась механической полировке с использованием полирующей суспензии. Лазерный луч фокусировался на поверхность образца с помощью кварцевой линзы с фокусным расстоянием / = 100 мм, расположенной на расстоянии 130 мм от излучателя. Образцы закреплялись на трехкоординатном поворотном столике, который перемещался для фокусировки пучка на плоскости образца и его контролируемого вращения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей (рис.1). Излучение лазера проходит через поляризационную пластину, фокусируется с помощью микролинзы, отражается от зеркала и попадает на поверхность образца через слой жидкости. Изображение поверхности образца получали с помощью сканирующего электронного микроскопа PHENOM PRO-X.
Согласно ППМ период образующихся структур зависит от угла падения, длины волны лазерного излучения и характеристик облучаемого материала и может быть описан следующим выражением [8]:
(
ё = X
II
8м •8с
|8м| -8с
\
± бШ 0
J
-1
(1)
где X - длина волны падающего излучения; 8м - диэлектрическая проницаемость металла; 8с - диэлектрическая проницаемость среды, граничащей с облучаемым металлом; 0 - угол падения.
Рис.1. Схема эксперимента: 1 - поляризационная пластина; 2 - микролинза; 3 - зеркало; 4 - поверхность образца; 5 - слой жидкости; 6 - кювета; 7 - трехкоординатный столик
Для случая облучения металлического образца на воздухе sc = 1, |ем| >> 1. Тогда выражение (1) примет вид
л =
1 ± эт 0
В отличие от микрорельефа на стали [7] на никелевом образце получение четкой линейно-периодической структуры оказалось затруднено (рис.2). Это может быть связано с различиями в термодинамических свойствах материалов: в два раза более высокой проводимостью, увеличивающейся с температурой, и более низкой температурой плавления №. Это приводит к меньшей локализации структурных превращений, происходящих под воздействием лазерного излучения, и нестабильности образующихся периодических структур. Однако на периферии области облучения фиксируются отдельные фрагменты повторяющегося с периодом порядка X рельефа, перпендикулярного вектору поляризации излучения лазера (см. рис.2).
Для более быстрого теплоотвода поверхность образца покрывалась слоем жидкости (дистиллированной водой) толщиной 1,5 мм, что, в свою очередь, привело к изменению оптических параметров взаимодействия лазера с образцом. Наличие водной прослойки модифицирует выражение (1), так как в данном случае sc = ен2а
X
Рис.2. Область облучения образца N1 на воздухе при плотности мощности излучения Q = 109 Вт/см2 (стрелкой указано направление вектора поляризации излучения, на вставке -увеличенный участок)
± эт 0
л
Это должно привести к уменьшению характерного периода возникающих структур, что и наблюдается в эксперименте.
На рис.3 представлена линейно-периодическая структура с характерным размером порядка 300 нм. Наличие жидкого слоя приводит к возникновению рельефа не над основной поверхностью образца, как в случае облучения на воздухе [7], а в его глубине. За счет сканирования лазерным лучом поверхности материала возможна модификация макроразмерных областей.
Рис.3. Линейно-периодический рельеф, формируемый при облучении № в воде при 0 = 1,6109 Вт/см2: а - без смещения луча; б - со смещением луча со скоростью 50 мкм/с (стрелкой указано направление вектора поляризации излучения)
Длительное воздействие лазерного излучения на поверхность металла приводит к его выработке в зоне облучения за счет процесса лазерной абляции [4]. При этом окружающая металл среда (дистиллированная вода) насыщается частицами облучаемого металла, формируя коллоидный раствор. В ходе анализа коллоидного раствора с помощью лазерного микроанализатора Мюшйас BlueWave определен диапазон размеров образующихся частиц (рис. 4). Возможность регулирования как мощности лазерного излучения, так и частоты следования импульсов позволяет варьировать дозу облучения, поглощаемую поверхностью металла, тем самым задавая условия лазерной абляции.
Дифрактометрический анализ полученного из раствора порошка показал наличие только кристаллической фазы чистого № с кубической гранецентрированной структурой (параметр решетки а = 0,3521 нм). Это позволяет использовать данную методику для получения коллоидных растворов и порошков чистых металлов.
Проводимость поверхностного слоя является одним из основных факторов в образовании поверхностных плазмон-поляри-тонов, интерферирующих с падающим излучением, и формировании лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур согласно ППМ [1]. Размер отдельных элементов определяется оптическими параметрами раствора, в котором происходит облучение, а также толщиной слоя жидкости над облучаемой поверхностью.
Рис.4. Распределение числа формируемых частиц по размерам
Заключение. Облучение поверхности материалов фемтосекундными лазерными импульсами позволяет получать наноразмерные структуры как на поверхности материала (линейно-периодический рельеф), так и в виде коллоидных растворов с возможностью контролирования размера отдельных элементов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект №14.Z50.31.0015) и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-42-73018716) в рамках государственного задания Минобрнауки России.
Литература
1. Young J.F., Preston J.S., Van Driel H.M., Sipe J.E. Laser-induced periodic surface structure // Physical Review B. - 1983. - P. 1155-1172.
2. Интерференция поверхностных электромагнитных волн и периодические структуры, образующиеся при воздействии интенсивного света на поверхность полупроводника / В.В. Баженов, А.М. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон и др. // ПЖТФ. - 1984. - Т. 10. - №.24. - С. 1520-1527.
3. Vorobyev A.Y., Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser puises // J. of Appl. Phys. - 2015. - Vol. 117. - N. 033103. - P. 1-5.
4. Макаров Г.Н. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии // УФН. - 2013. - Т. 183. - №7. - С. 673-718.
5. Федянин Д.Ю., Арсенин А.В., Лейман В.Г., Гладун А.Д. Поверхностные плазмон-поляритоны с отрицательной и нулевой групповыми скоростями, распространяющиеся по тонким металлическим пленкам// Квантовая электроника. - 2009. - Т. 9. - №8. - С. 745-750.
6. Фемтосекундная лазерная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана / Е.В. Голосов, В.И. Емельянов, А.А. Ионин и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2009. -Т. 90. - Вып.2. - С. 116-120.
7. Особенности структурирования поверхности металла фемтосекундными лазерными импульсами высокой мощности / И.О. Явтушенко, М.С. Явтушенко, И.О. Золотовский и др. // Письма в ЖТФ. -2015. - Т. 41. - Вып.15. - С. 60-68.
8. Малкин В.С., Малкин Р.С. Основы взаимодействия ультракороткого лазерного излучения с конденсированными средами. - Димитровград: ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2013. - 236 с.
Статья поступила 20 мая 2016 г.
Костишко Борис Борисович - аспирант, младший научный сотрудник Научно-исследовательского технологического института им. С.П. Капицы Ульяновского государственного университета (НИТИ УлГУ). Область научных интересов: нанотехнологии, атомно-силовая и электронная микроскопия.
Светухин Вячеслав Викторович - доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИТИ УлГУ. Область научных интересов: радиационные технологии, термодинамика дефектообразования в металлах и полупроводниках.
Явтушенко Игорь Олегович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИТИ УлГУ. Область научных интересов: материаловедение, лазерное наноструктурирование материалов, композиционные материалы, электроплазменная обработка металлов и полупроводников. E-mail: yavigor@mail.ru
