Применение лазеров в нанотехнологиях

1.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт общей физики им. А.М. Прохорова
Российской академии наук
(ИОФ РАН)
Научно-популярный курс
ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
к Отчету о выполнении 6 этапа
Государственного контракта № 16.740.11.0537 от 16 мая 2011 г.
Руководитель:
д.ф.-м.н. Токарев В.Н.

2.

Применения нанопокрытий:
- улучшение электрических, тепловых, электронно-эмиссионных и
излучательных свойств материалов;
- индуцирование каталитических свойств материалов;
- повышение ресурса работы валов винтов кораблей и всех узлов,
работающих в суровых коррозионных условиях (для
автомобильной, аэрокосмической, оборонной и атомной
промышленности);
- улучшение рабочих характеристик реактивных и дизельных двигателей
за счет нанесения нанопокрытий на их стенки;
- изготовление покрытий в стоматологии и биосовместимых
имплантантов в ортопедии

3. ПРЯМОЕ ЛАЗЕРНОЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ

Понимание физических механизмов различных
методов лазерного нано- и микроструктурирования
материалов
-представляет большой научный и практический интерес,
- актуально для развития нанотехнологий лазерными методами

4.

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЯЕМОГО МЕТОДА НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ
1) Исследуется метод прямого лазерного наноструктурирования
при помощи лазерно-индуцированной неустойчивости и самоорганизации
поверхности под воздействием наносекундного излучения.
"Прямое"
модификация поверхности происходит наиболее просто:
одним лазерным лучом, а не двумя (сведенными для создания
интерференционной картины),
без использования в дополнение к лазерному лучу иглы атомно-силового или
туннельного микроскопа.
2) Исследования по наноструктурированию выполнены
- для широкого круга технологических материалов (металлов, керамик,
алмазных пленок, полимеров) и
- для разнообразных процессов модификации поверхности. К ним
относятся:
(а) нелинейная релаксация температурных напряжений, создаваемых лазерным
воздействием ниже порога плавления;
(б) лазерное оплавление поверхности твёрдых тел;
(в) совместное действие плавления и испарения;
(г) лазерная абляция, травление и осаждение в отсутствие плавления.

5.

3) С учетом перспективы дальнейших технологических применений
рассмотрение выполнено для наносекундных лазеров, как более дешевых
и простых в эксплуатации по сравнению с пико- и фемтосекундными
лазерами.
4) Проанализировано при этом развитие в результате лазерного
воздействия так называемых «нерезонансных» структур, период которых не
связан непосредственно с длиной волны излучения.

6.

ПРИМЕРЫ
1) НАНОВОЛОКНА - Абляция ПММА единичным импульсом KrF-лазера
Обнаружена и теоретически количественно объяснена новая форма
удаления материала в лазерной абляции – выталкивание длинных
нановолокон.
(Длина – около 1 мм, радиус – 150-200 нм)
Механизм:
Выброс вязких струй в
результате ударного
действия абляционного
давления на разжиженный
нагревом слой полимера.

7.

2) НАНОПЕНА - Объемное наноструктурирование коллагена
облучением KrF-лазера
Механизм:
При малом коэффициенте поглощения
быстрое тепловое расширение создает
большое отрицательное давление в материале,
приводящее к вскипанию расплава.

8.

3) ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ НАНОКРАТЕРЫ
с размерами осей d1 = 180-270 нм, d2 = 375 нм
и высотой брустверов 60 нм и менее
193 нм, нержавеющая сталь
2D
Механизм
3D
Более быстрая абляция некоторых
компонент сплава

9.

4) Лазерный переплав
- позволяет модифицировать наноструктуру пленки индия и тем самым
повысить выходные параметры мощных лазерных диодов
- позволяет управлять спектром размеров нанозерен, имеющихся
на поверхности биомедицинских материалов из сплавов титана до
облучения
- позволяет улучшить сверхпроводящие свойства
сверхпроводящей керамики Bi2Sr2Ca2Cu3O10 –x

10.

5) НАНОХОЛМЫ - лазерное оплавление поверхности
193 нм, титан
157 нм, Si3N4
d = 100-150 нм, 400-600 нм
МЕХАНИЗМ:
d = 50-60 нм
Рост зародышей
кристаллической фазы
при остывании тонкого слоя
лазерного расплава

11.

6) ГЕКСАГОНАЛЬНЫЕ НАНОЯЧЕЙКИ
Германий, 193 нм
Период ячеек 300-500 нм
Высота перегородок 20-25 нм
2D
3D

12. 7) НАНОКОНУСА - лазерная модификация поверхности в твердой фазе

Алмазная пленка, 157 нм
d = 0,2 - 0,6 мкм
Развитие конусов рекордно малых субмикронных размеров (200-600нм)
ПЕРСПЕКТИВНО для улучшения эмиссионных свойств фотокатодов

13. 8) НАНОТРЕЩИНЫ

Диоксид циркония (Фианит)
193 нм
Перспективно
для повышения эффективности
высокотемпературных
топливных элементов,
использующих мембраны из диоксида
циркония

14.

ВЫВОДЫ
1. Экспериментально продемонстрирована возможность
прямого наноструктурирования поверхности германия, никеля,
силицида платины, нитрида кремния, нержавеющей стали,
титана и диоксида циркония при наносекундном многократном
облучении ArF-лазером с длиной волны 193 нм, а также титана,
платины и полимеров KrF-лазером с длиной волны 248 нм.
2. В зависимости от материала и плотности энергии обнаружены
нанорельефы различных форм - в виде нановолокон,
нанопены, гексагональных ячеек, эллиптических и круговых
кратеров, а также в виде нанохолмов и трещин.
Предложены механизмы формирования указанных наноструктур.

15.

3. Обнаружено и объяснено новое физическое явление –
самопроизвольное формирование поверхностного рельефа с
характерными субмикронными периодами шероховатости при
остывании на поверхности материала тонкого (с толщиной менее 1
мкм) слоя расплава, созданного импульсным лазерным нагревом.
4. Впервые построены теоретические модели прямого лазерного
наноструктурирования широкого круга технологических материалов
(металлов, керамик, алмазных пленок, полимеров)
для разнообразных процессов модификации поверхности.
К ним относятся:
(i) лазерно-индуцированное испарение в отсутствие плавления,
(ii) травление,
(iii) осаждение,
(iv) совместное действие плавления и испарения,
(v) лазерное оплавление поверхности твёрдых тел в отсутствие
интенсивного испарения,
(vi) релаксация напряжений в материале в виде наноструктур.

16. ЧТО МОЖНО БЫЛО БЫ СДЕЛАТЬ ДАЛЕЕ?

Перейти от изучения фундаментальных механизмов ПЛН, выполненного на
предыдущих этапах исследований, к разработке технологии улучшения
функциональных свойств конкретных материалов.
НАПРИМЕР,
1) Для повышения эффективности высокотемпературных
топливных элементов за счет наноструктурирования мембран из
диоксида циркония
2) Для создания антиотражающего рельефа на поверхности кремния
- повышение энергоэффективности,
- уменьшение размера и веса солнечных элементов.