ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Илясов Виктор Васильевич

д-р техн. наук, проф. кафедры физики, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону

Нгуен Ван Чыонг

cтудент кафедры ФиПМ, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону

E-mail: chuongnguyen11@gmail.com

RESEARCH NANOSTRUCTURES SURFACES OF MATERIALS

BY METHODS LASER RADIATION

Victor Ilyasov

Doctor of Technical Sciences, Department of Physic, DSTU, Rostov on Don

Nguyen Van Chuong

Student departmet P&AM, DSTU, Rostov on Don

АННОТАЦИЯ

В статье представлен метод лазерного наноструктурирования поверхности твердых тел для повышения физико-механимческих, электрических, тепловых и электронно-эмиссионных свойств материалов.

ABSTRACT

In this paper is presented the method of laser nanostructuring the surfaces of materials to enhance physical, mechanical, electrical, thermal and electron - emission properties of materials.

Ключевые слова: Лазер; наноструктура; микроскоп.

Key words: Laser; nanostructure; microscope.

Исследования последних лет показали, что наноструктурные поверхностные материалы с размером зерен менее 100 нм обладают улучшенными физико-механическими свойствами. Наноразмерные кристаллические зерна имеют не только высокую термическую стабильность, но и придают покрытиям сверхвысокую прочность и ударную вязкость. Использование лазерного наноструктурирования позволяет достичь здесь наилучших результатов.

Процесс облучения материала интенсивным импульсным лазерным пучком сопровождается изменением структурно-фазового состояния приповерхностной области. Тонкий расплав материала, присутствующий на поверхности мишени, после окончания импульса начинает охлаждаться с высокой скоростью, что приводит к значительному его переохлаждению и повышает вероятность зародышеобразования твердой фазы, следовательно, у поверхности резко увеличивается концентрация центров зародышеобразования, другими словами, происходит измельчение зерен. Размер зерен на поверхности после облучения может составлять сотни или даже десятки нанометров. Таким образом, облучение приводит к формированию околоповерхностных наноструктур, физические свойства которых могут заметно отличаться от свойств структур в крупнозернистом состоянии.

Этот метод называется методом «прямого лазероного наноструктурирования» (рис. 1).

Рис. 1. Сущность метода «прямого лазероного наноструктурирования»

Для наноструктурирования поверхности углеродосодержащих материалов еще используют метод « косвеного лазерного наноструктурирования»: формирование наноструктур на поверхности подложки, расположенной на некотором растоянии от мишени (рис. 2). При этом на подложке происходит осажение продуктов абляции.

Геометрия процесса лазерной абляции и напыления, реализованного в описываемых ниже экспериментах [3].

Рис. 2. Метод косвенного лазерного наноструктурирования твердых тел

Сфокусированный лазерный пучок попадал на край графитовой мишени под небольшим (5—10°) углом к поверхности. Подложка из нержавеющей стали располагалась параллельно оси лазерного пучка на фиксированном расстоянии (менее 0,5 мм) от мишени. Плазма, об разующаяся при импульсном испарении материала мишени, имела видимый размер около 1 мм (по нормали к поверхности) и касалась поверхност подложки. Облучение мишени осуществлялось 300-Пикосекундными импульсами твердотельного Nd:YAP-лазера надлине волны 1078 нм. Энергия импульса составляла около 3 мДж при частоте следования импульсов 5 Гц. Излучение фокусировалось стеклянной линзой в пятно диаметром 40 мкм по уровню интенсивности 1/е², так что интенсивность импульса достигала 10¹⁰ Вт/см². Для увеличения площади напыления лазерный пучок двигался относительно подложки (и мишени) вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки. Вскоре после начала процесса напыления промежуток между подложкой и мишенью заполнялся взвесью испаренных углеродных микрочастиц, что приводило к инициированию низкопорогового пробоя воздуха. Поскольку частота следования лазерных импульсов была невысокой, то даже маломощный вентилятор легко сдувал эту взвесь, что позволяло предотвратить нежелательный пробой.

Зависимости размер задыроша от исходных параметров [1]:

где: U- энергия активации перемещения атома; t- продолжительность лазерного импульса; k- постоянная Больцмана k=1,38.Дж/К; - температура фазового превращения; - средная скорость охлаждения расплава; -дебаевская частота колебания атомов в переохлаждении жидкости; d- характерный размер, приходящийся на один атом; h-теплота фазового превращения на один атом

Формирование наноструктур на поверхности разных твердых материалов было обнаружено при многократном воздействии одним пучком наносекундного ArF-лазера с длиной 193 нм. На рис. 3 приведен метод «прямого лазерного наноструктурирования» [2].

Рис. 3. Схема рабочей камеры

В этой схеме 1. Корпус с камеры; 2. Прозрачная пластина из флюорита для отвода части интенсивностипучка в измеритель энергии; 3. Измеритель энергии; 4. Форкусирующая линза; 5. Держатель образца; 6. Образец; 7. Герметичный ввод для перемещения держателя образца; 8. Прозрачное окно для наблюдения снаружи за перемещение образца в камере; 9. Задний съемный фланец камеры

Анализ профилей облученных поверхностей проводился с помощью атом-силового микроскопии (АСМ). Фотографии рельефа на поверхности т в результате облучения наносекундным ArF-лазером с длиной вольны 193 нм (рис. 4).

Рис. 4. Фотографии типа 2D и 3D рельефа на поверхности титана в результате облучения наносекундным ArF-лазером с длиной волны 193 нм

Расчеты параметров лазерного наноструктурирования при разных длительностях лазерного импульса на различные материалы приведенны в табл.1.

Таблица 1.

Расчет характеристик лазерного структурирования

Как видно из таблицы длительность импульса лазерного излучения оказывает влияние на параметры облученных поверхности материала: чем меньше длительность импульса тем меньше размеры зародыша кристализации.

Расчет параметров формирующей наноструктуры на пример Тi дает величину порядка 60 нм при плотности энергии 6 , что согласуется с результатами экперимента.

Выводы:

Наноструктурирование поверхности твердых тел позволяет улучшать физико-механические, электрические, тепловых свойства материалов, может применяться для увеличения ресурса работы деталей машин и стойкости инструмента.

Установлена зависимость параметров образующейся поверхностной наноструктуры от плотности падающей энергии в лазерном пучке, что указывает на возможность управления процессами формирования таких структур.

Список литературы:

1.Аракелян С.М. Лазерное наноструктурирование материалов: методы реализации и диагностики: учеб. пособие Владим. гос. ун-т. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. –140 с.

2.Лапшин К.Э., Обидин А.З., Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Прямое лазерное наноструктурирование поверхности алмазных пленок и керамики нитрида кремния наносекундными импульсам излучения F₂ – лазера // Российские нанотехнологии. Том 2. № 11—12. 2007. С. 28—30.

3.Миколуцкий С.И., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Зарождение и рост наноструктур на поверхности твердого тела, оплавленного лазерным импульсом // Российские нанотехнологии. Том 6. № 11—12. 2011. С. 65—69