Лазерный мир

Черников А.С., Кочуев Д.А., Хорьков К.С., Прохоров А.В.// Journal of Advanced Research in Technical

Science. 2022. No 32. С. 103-106.

В работе представлена технология обработки материалов субпикосекундными лазерными импульсами в электростатическом поле для формирования тонкопленочных структур и наночастиц. Представлена конструктивная схема обработки мишеней нитрида галлия и сульфида цинка лазерным излучением. Рассмотрено влияние среды и параметров лазерного воздействия на свойства синтезируемых наноматериалов. Установлено, что повышение давления в камере, замена среды и изменение режима сканирования приводит к радикальному изменению процесса лазерного синтеза.

В течение последних десятилетий направление исследований, связанное с изучением и практическим применением соединений группы III-V и II-VI, стремительно развивается. Данный класс материалов находит широкое применение в различных оптоэлектронных устройствах, таких как: светоизлучающие диоды, плоскопанельные дисплеи, лазеры, электролюминесцентные источники света, солнечные элементы, сенсорные устройства и др. [1-4].
Одним из наиболее технологичных методов синтеза тонких пленок полупроводниковых материалов и многослойных гетероструктур на различных подложках является метод фемтосекундного импульсного
лазерного осаждения. Импульсное лазерное осаждение – это контролируемый процесс осаждения материалов на поверхность подложки. Варьируя режимы лазерного воздействия, например, изменяя энергию лазерного импульса или размер фокусирующего пятна, можно изменять энергию частиц в лазерном факеле, тем самым, управляя процессом конденсации паров осаждаемого материала.
Цель работы – изучить доминирующие факторы, влияющие на эффективность лазерного синтеза наночастиц нитрида галлия и сульфида цинка в электростатическом поле.
Материалы и методы исследований
Получение наночастиц производись с использованием фемтосекундной Yb:KGW лазерной системы c длиной волны 1030 нм, длительностью импульса 280 фс, энергией в импульсе до 150 мкДж, частотой следования импульсов лазерного излучения 10 кГц. На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки для лазерного синтеза наноматериалов в электростатическом поле.
В качестве мишеней выступали чистые (99,99%) образцы ZnS и Ga. В рабочей камере использовались пары аммиака для синтеза нитрида галлия и аргон при синтезе наночастиц сульфида цинка.

Результаты и обсуждения
Применение электростатического поля позволило снизить интенсивность свечения лазерного эрозионного факела, так же на пластинах электродов наблюдался значительный рост слоя осажденных частиц, что говорит об эффективном выносе продуктов обработки из области распространения лазерного луча. Использование электростатического поля в процессе лазерного синтеза наночастиц позволяет помимо улавливания частиц, осуществлять прогнозируемое осаждение наноматериалов непосредственно на поверхность кремниевых подложек, за которыми установлены электроды, на которые подается напряжение, при этом производить вынос продуктов синтеза из области распространения лазерного луча. В результате чего частицы не попадают под повторное воздействие лазерного излучения, не наблюдается коагуляция продуктов абляции, вызванная воздействием лазерного эрозионного факела, что позволяет получать материалы заданного размера с более узким фракционным составом. В результате лазерного импульсного синтеза ZnS в среде аргона с использование электростатического поля, полученные наночастицы имеют сферическую форму, на поверхности частиц отсутствуют неоднородности, при этом характерный размер частиц, полученных при скорости сканирования 1 мм/c находится в диапазоне значений от 2 до 160 нм, основная фракция находится в диапазоне 15-30 нм. Средний размер наночастиц GaN составляет около 70 нм, однако представлены и крупные частицы [5]. Формирование наночастиц требуемого размера может быть реализовано путем управления
параметрами лазерного излучения [6].
Выводы
Наиболее весомые факторы в процессе экспериментальных работ является режим сканирования и концентрация аммиака. Наличие электростатического поля способствует выносу и отклонению потока аблируемых частиц из области распространения лазерного излучения и эрозионного факела. В результате чего аблируемые частицы не подвергаются повторному воздействию ни со стороны лазерного излучения, ни со стороны лазерного эрозионного факела. Таким образом, можно говорить о том, при наличии электростатического поля в процессе абляционной обработки, коагуляция частиц либо полностью исключается, либо ее вероятность значительно снижается, при этом удается получить узкое распределение размеров частиц по размерам.
Финансирование. Работа была выполнена в рамках государственного задания ВлГУ 075-03-2020-046/1 (ГБ 1187/3).