Ablația prin laser

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 ianuarie 2021; verificările necesită 10 modificări .

Ablația cu laser este o metodă  de îndepărtare a unei substanțe de pe o suprafață cu un impuls laser . La putere redusă a laserului, substanța se evaporă sau se sublimează sub formă de molecule libere, atomi și ioni, adică se formează o plasmă slabă deasupra suprafeței iradiate , de obicei în acest caz întunecată, neluminoasă (acest mod este adesea numit laser desorbție ). Când densitatea de putere a impulsului laser depășește pragul modului de ablație, are loc o microexplozie cu formarea unui crater pe suprafața probei și a unei plasme strălucitoare împreună cu particule solide și lichide în expansiune ( aerosol ). Modul de ablație cu laser este uneori numit și scânteie laser (similar cu scânteia electrică tradițională din spectrometria analitică, vezi descărcarea scânteii ).

Ablația cu laser este utilizată în chimia analitică și geochimie pentru analiza directă locală și strat-cu-strat a probelor (direct fără pregătirea probei ). În ablația cu laser, o mică parte a suprafeței probei este transferată în starea de plasmă și apoi este analizată, de exemplu, prin metode de emisie sau spectrometrie de masă . Metodele adecvate pentru analiza probelor solide sunt spectrometria cu emisie de scântei laser (LIES; ing . LIBS sau LIPS ) și spectrometria de masă cu scântei laser (LIMS). Recent, s-a dezvoltat rapid metoda LA-ICP-MS ( spectrometrie de masă cu plasmă cuplată inductiv cu ablație cu laser), în care analiza este efectuată prin transferul produselor de ablație cu laser (aerosol) în plasmă cuplată inductiv și detectarea ulterioară a ionilor liberi în spectrometru de masă. Metodele enumerate aparțin grupului de metode de spectrometrie atomică analitică și unui set mai general de metode de analiză elementară (vezi chimia analitică ).

Metoda de ablație cu laser este utilizată pentru a determina concentrațiile atât ale elementelor, cât și ale izotopilor . Concurează cu sonda ionică. Acesta din urmă necesită un volum mult mai mic analizat, dar este de obicei mult mai scump.

Ablația cu laser este, de asemenea, aplicată la tratarea tehnică a suprafețelor fine și la nanotehnologie (de exemplu, în sinteza nanotuburilor de carbon cu un singur perete ).

Terminologie

Termenul de ablație cu laser este utilizat pe scară largă în literatura științifică în domenii precum producția de film subțire, prelevarea de probe cu laser și prelucrarea materialelor. În literatura fizică, termenul de ablație (din latinescul  ablatio „înlăturare”) denotă un set de procese fizice și chimice complexe, al căror rezultat este îndepărtarea unei substanțe de la interfață. Conform sensului rădăcinii latine, acest termen poate fi folosit pentru a descrie orice îndepărtare a unei substanțe. În acest sens, termenul de ablație cu laser în sens larg se referă la procesul de îndepărtare a unei substanțe sub acțiunea radiației laser, inclusiv îndepărtarea atât a materialului evaporat, cât și a produselor volatile de gravare chimică.

O interpretare prea restrânsă a termenului poate fi găsită și în literatura de specialitate, când ablația este înțeleasă ca procesul de îndepărtare a unei substanțe cauzat de distrugerea legăturilor chimice și de formarea de molecule, atomi și ioni liberi sub acțiunea luminii. De menționat că termenul de ablație este interdisciplinar și a apărut în literatură cu mult înainte de apariția laserului. Deci, a fost folosit pentru a descrie procesul de îndepărtare a unei substanțe atunci când o probă de metal este expusă la o descărcare electrică, flux de gaz fierbinte sau plasmă. Termenul de protecție ablativă în astronautică și aviație este înțeles ca o modalitate de a reduce în mod eficient supraîncălzirea elementelor fuzelajului prin extragerea căldurii pentru topire și evaporarea unui strat de material de protecție special. În plus, trebuie remarcat faptul că acest termen este folosit în geologie și glaciologie pentru a desemna scăderea masei unui ghețar sau a zăpezii ca urmare a topirii și evaporării.

Majoritatea cercetătorilor sub termenul de ablație cu laser înțeleg procesul de interacțiune a radiației laser cu o substanță, în care procesul de topire, evaporare sau sublimare imediată are loc cu formarea de vapori și plasmă la temperatură joasă; De obicei, aceste procese sunt însoțite și de expansiunea particulelor și a picăturilor de substanță inițială.

Principalele caracteristici ale ablației cu laser sunt următoarele:

  1. asociat cu absorbția directă a energiei impulsului laser în substanță;
  2. rezultatul este formarea unui nor de plasmă;
  3. apare la interfața dintre fazele condensate și gazoase (sau vid) sau lichide;
  4. are un prag.

Beneficiile

Ablația cu laser este utilizată într-o varietate de domenii:

Depunerea de vapori cu laser (LPD sau PLD  - depunerea cu laser în impulsuri) este un proces de topire rapidă și evaporare a unui material țintă ca urmare a expunerii la radiații laser de înaltă energie, urmat de transferul materialului pulverizat de la țintă la substrat în vidul și depunerea acestuia.

Avantajele metodei includ:

Descrierea metodei

O descriere detaliată a mecanismului LA este foarte complexă, mecanismul în sine include procesul de ablație a materialului țintă cu iradiere cu laser, dezvoltarea unui penaj de plasmă care conține ioni și electroni de înaltă energie, precum și creșterea cristalului învelișului. ea însăși pe substrat. Procesul LA în ansamblu poate fi împărțit în patru etape:

  1. interacțiunea radiației laser cu o țintă - ablația materialului țintă și crearea de plasmă;
  2. dinamica plasmei - expansiunea acesteia;
  3. aplicarea materialului pe substrat;
  4. creșterea peliculei pe suprafața substratului.

Fiecare dintre acești pași este critic pentru parametrii fizico-mecanici și chimici ai acoperirii și, prin urmare, pentru performanța biomedicală.

Îndepărtarea atomilor din volumul materialului se realizează prin evaporarea masei substanței la suprafață. Există o emisie inițială de electroni și ioni ai acoperirii, procesul de evaporare prin natura sa este cel mai adesea termic. Adâncimea de penetrare a radiației laser în acest moment depinde de lungimea de undă a radiației laser și de indicele de refracție al materialului țintă, precum și de porozitatea și morfologia țintei.

Istorie

Primele lucrări privind studiul ablației cu laser au fost efectuate încă de la apariția laserului în 1962 în [1] . Majoritatea lucrărilor din anii 1960 au folosit impulsuri laser de microsecunde. Pentru acest tip a fost creat un model termic, care a descris fenomenele observate cu mare precizie [2] . Dezvoltarea tehnologiei laser a condus la faptul că, la începutul anilor 80, cea mai mare parte a lucrărilor de ablație cu laser a fost efectuată folosind impulsuri laser în nanosecunde. În următorul deceniu, cercetările privind ablația cu laser cu picosecunde au câștigat un impuls din ce în ce mai mare. În ultimii 20 de ani, utilizarea laserelor cu o durată de impuls de femtosecundă a fost dezvoltată pe scară largă [3]

Dinamica plasmatice

În a doua etapă, plasma materialului se extinde paralel cu normala suprafeței țintă față de substrat datorită repulsiei Coulomb. Distribuția spațială a penei de plasmă depinde de presiunea din interiorul camerei. Dependența formei flăcării de timp poate fi descrisă în două etape:

  1. Jetul de plasmă este îngust și îndreptat înainte de la normal la suprafață (durata procesului este de câteva zeci de picoseconde), practic nu există împrăștiere și stoichiometria nu este încălcată .
  2. Extinderea torței cu plasmă (durata procesului este de câteva zeci de nanosecunde). Stoichiometria filmului poate depinde de distribuția ulterioară a materialului de ablație în jetul de plasmă.

Densitatea penei poate fi descrisă ca o dependență cosn(x) apropiată de o curbă Gaussiană. Pe lângă distribuția de vârf înalt direcțională, se observă o a doua distribuție, descrisă de dependența cosΘ [43, 46]. Aceste distribuții unghiulare indică în mod clar că antrenarea materialului este o combinație de diferite mecanisme. Unghiul de expansiune al plasmei nu depinde direct de densitatea puterii și este caracterizat în principal de sarcina medie de ioni în fluxul de plasmă. Creșterea fluxului laser dă un grad mai mare de ionizare a plasmei, un flux de plasmă mai ascuțit cu un unghi de expansiune mai mic. Pentru plasma cu ioni de sarcină Z=1 - 2, unghiul de expansiune este Θ=24 ÷ 29°. Atomii neutri sunt depuși în principal la marginea spotului de film, în timp ce ionii cu energie cinetică mare sunt depuși în centru. Pentru a obține filme omogene, marginea fluxului de plasmă trebuie ecranată. Pe lângă dependența unghiulară a vitezei de depunere, se observă anumite variații în compoziția stoechiometrică a materialului evaporat în funcție de unghiul Θ în timpul depunerii peliculelor multicomponente. O distribuție de vârf direct direcționată păstrează stoichiometria țintei, în timp ce o distribuție largă este nestoichiometrică. În consecință, în timpul depunerii cu laser a filmelor multicomponente, în fluxul de plasmă există întotdeauna componente stoichiometrice și nestoichiometrice, în funcție de unghiul de depunere.

Dinamica expansiunii plasmatice depinde și de densitatea țintei și de porozitatea acesteia.

Pentru țintele realizate din același material, dar cu densitate și porozitate diferite, intervalele de timp de expansiune a plasmei sunt diferite.

Se arată că rata de ablație de-a lungul propagării radiației laser într-o substanță poroasă este de (1,5-2) ori mai mare decât rezultatele teoretice și experimentale pentru rata de ablație într-o substanță solidă.

Parametri importanți din punct de vedere tehnologic ai aeronavei

Este posibil să se evidențieze principalii parametri tehnologici importanți ai LA, care afectează creșterea, proprietățile fizice, mecanice și chimice ale filmelor în timpul depunerii materialului pe substrat:

Până acum, au fost descrise trei mecanisme de creștere a filmului care sunt potrivite pentru metodele de vid ion-plasmă:

Dezavantajele metodei

Metoda de ablație cu laser are anumite dificultăți asociate cu obținerea de filme de substanțe care absorb slab (oxizi ai diferitelor substanțe) sau reflectă (un număr de metale) radiația laser în regiunea spectrală vizibilă și aproape IR. Un dezavantaj semnificativ al metodei este factorul scăzut de utilizare a materialului țintă, deoarece evaporarea sa intensă are loc dintr-o zonă de eroziune îngustă determinată de dimensiunea punctului focal (~10 cm2) și, ca urmare, o zonă mică de depunere. (~10 cm2). Valoarea eficienței materialului țintă în timpul depunerii cu laser este de 1–2% sau mai puțin. Formarea unui crater în zona de eroziune și adâncirea acestuia modifică unghiul spațial de expansiune al substanței, drept urmare uniformitatea filmelor se deteriorează, atât ca grosime, cât și ca compoziție, și, de asemenea, dezactivează ținta, care este deosebit de caracteristică. de depunere de înaltă frecvență (rată de repetare a pulsului de ordinul a 10 kHz) . Îmbunătățirea uniformității filmelor și creșterea duratei de viață a țintei necesită utilizarea unui sistem de mare viteză (~1 m/s) de scanare plan-paralelă a țintei, ceea ce face posibilă evitarea suprapunerii punctelor focale adiacente, și, ca urmare, supraîncălzirea locală a țintei și formarea de cratere adânci pe aceasta, ceea ce, totuși, complică semnificativ proiectarea dispozitivului în cameră și procesul de depunere în sine.

Vezi și

Note

  1. ↑ F. Brech și L. Cross. Microemisie optică stimulată de un MASER Ruby // Appl. Spectrosc.. - 1962. - Nr. 16 . - S. 59-61 .
  2. ↑ EN Sobol. Transformări de fază și ablație în solidele tratate cu laser. - Michigan: Wiley, 1995. - P. 332.
  3. ↑ S.I. Anisimov, B.S. Lukyanchuk. Probleme alese ale teoriei ablației cu laser // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 2002. - Nr. 127 . - S. 301 .

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii