Лазерный мир

В. В. Андреев // Вестник Мордовского университета. – 2014. – № 1. – С. 17–27. УДК 52-626:539.21

В статье представлены результаты исследования образования неоднородных пространственно-временных структур в адсорбционном слое на однородной поверхности диэлектрика, полупроводника или металла в результате нетеплового воздействия лазерного излучения относительно слабой интенсивности.

Synthesis of nanostructures on solid surfaces in the field of weak laser irradiation

Formation of non-uniform spatial and temporal structures in adsorption layer on the uniform surface of dielectric, semiconductor or metal is investigated. Such structures appear as result of non-thermal interaction with the laser irradiation of relatively weak intensity. The intensity of laser irradiation in cross section is distributed accordingly to the Gauss law. It is shown that spatial and temporal non-uniformities in the adsorption layer appear due to lateral interaction of dipoles, induced in adsorption particles under influence of laser irradiation.

В последние годы значительный интерес исследователей вызывают поверхностные явления, протекающие под действием лазерного излучения. Такое внимание вызвано тем, что в поле действия лазера возможно создание наноструктур различных конфигураций на поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков. Результаты исследований связаны с перспективами их широкого использования в микро-, опто- и акустоэлектронике. Однако при исследовании процессов в поле лазерного излучения часто речь идет о таких условиях, когда имеет место высокотемпературный нагрев материала, в результате чего его поверхность становится гофрированной.
Так, один из возможных способов получения обратимых и необратимых «периодических» структур на поверхности твердых тел в результате лазерной абляции тонких пленок был исследован в работах [6; 11–12; 15]. В числе прочих был проведен эксперимент по образованию упорядоченных микроструктур при абляции твердых мишеней (медь, латунь, вольфрам, бронза) толщиной 1–2 мм, находящихся под слоем жидкости (дистиллированная вода, 95%-ный этанол) [12].
Плотность энергии на поверхности мишени достигала величины 30 Дж/см2 , а диаметр сфокусированного пятна составлял
10–60 мкм. При этом период возникающих микроструктур увеличивался в линейной зависимости от увеличения
диаметра пятна лазерного излучения на поверхности мишени. Кроме того, в указанной работе предложено три различных механизма абляции:
1) испарение тонкой пленки при нагреве лазерным излучением;
2) взрывное удаление пленки вследствие резкого повышения давления газа, возникающего на ее границе с подложкой;
3) двухфазное удаление пленки при испарении материала с поверхности и вытеснения жидкости давлением паров.
Периодические структуры, описанные в работе [Там же], образуются в результате выноса вещества мишени в виде наночастиц в жидкость. В то же время в аналогичном исследовании [11] описаны наноструктуры, формирующиеся из первоначальной шероховатости поверхности мишени под действием давления паров жидкости, окружающей мишень. Пластинка серебра, погруженная в воду или этанол, подвергалась облучению импульсным неодимовым лазером с длиной волны генерации 1,06 мкм, длительностью импульсов 350 пс и частотой их повторения 300 Гц.
При этом на поверхности образовывался массив наноострий высотой 50–70 нм и плотностью до 1 010 см-2.
В работе [6] исследована генерация наночастиц благородных металлов (Ag и Au) при абляции металлических мишеней, изготовленных в виде пластинки из золота и серебра толщиной 100 мкм с содержанием металлов 99,99 %, в дистиллированной воде и этаноле излучением лазера на парах меди с длиной волны генерации 510,6 нм, длительностью импульсов 20 нс и частотой следования 15 кГц. Полученный в результате абляции коллоидный раствор облучался без металлической мишени лазерным пучком диаметром 30 мкм.
В то же время интерес представляет исследование процессов, при которых лазерное излучение не вызывает значительного разогрева вещества. В этом случае механизм воздействия лазерного излучения на вещество является нетепловым.
Как правило, при этом механизм воздействия оптического поля на адсорбированные на твердой поверхности частицы объясняется безызлучательной релаксацией электронного взаимодействия атома с поверхностью, способной привести к
его десорбции [2; 7–8; 10]. Другим возможным механизмом является поляризация световым полем адсорбированных частиц, в результате которой в некоторых случаях латеральное взаимодействие таких частиц является существенным [1; 3–5; 14]. В результате на твердой поверхости в области действия лазерного луча возникают неоднородные планарные
структуры в виде «кратера» или «бугра» [1; 3–4]. Были подробно исследованы зависимости безразмерной поверхностной
концентрации адсорбированных частиц P от безразмерного расстояния R при различных значениях, характеризующих процесс параметров как в установившемся, так и неустановившемся режимах [Там же].
Наше исследование посвящено образованию неоднородных пространственно-временных структур в адсорбционном слое на поверхности твердого тела под действием лазерного излучения относительно слабой интенсивности.

Полное содержание статьи: http://vestnik.mrsu.ru/content/pdf/14-1/1-2.pdf