Lazerli ablasyon

Лазер абласёни (инглизча: ласер аблатион) — лазер импулси билан сиртдан моддани олиб ташлаш усули.. Лазернинг кам қувватида, модда эркин молекулалар, атомлар ва ионлар шаклида буғланади ёки сублимацияланади, яъни нурланган сирт устида заиф плазма ҳосил бўлади, одатда бу ҳолда тўқ, порламайдиган (бу режим кўпинча лазер десорбсияси деб аталади). Лазер импулсининг қуввати зичлиги абласён режими чегарасидан ошиб кетганда, микропортлаш натижасида, модда юзасида кратер ҳосил бўлиб, учувчи қаттиқ ва суюқ зарралар (аэрозол) билан бирга, порлаётган плазма пайдо бўлади. Лазер абласён режими баъзан лазер учқунлари деб ҳам аталади (аналитик спектрометриядаги анъанавий электр учқунига ўхшаш, „ учқун чиқиши“).

Лазер абласёну аналитик кимё ва геокимёда моддаларни тўғридан-тўғри маҳаллий ва қатламли таҳлил қилиш учун ишлатилади (тўғридан-тўғри намуна тайёрламасдан). Лазер абласёну пайтида модда юзасининг кичик бир қисми плазма ҳолатига ўтказилади ва кейин у, масалан, эмиссия ёки масса спектрометрия усуллари билан таҳлил қилинади. Қаттиқ намуналарни таҳлил қилиш учун мос усуллар лазерли учқун эмиссия спектрометрияси (ЛИЭС; энг. ЛИБС ёки ЛИПС) ва лазер учқунли масса спектрометрияси (ЛИМС) ҳисобланади. Сўнгги пайтларда ЛА-ИCП-МС усули (индуктив боғланган плазма ва лазер абласёну билан масса спектрометрияси) жадал ривожланмоқда, бунда таҳлил лазер абласёну (аэрозол) маҳсулотларини индуктив боғланган плазмага ўтказиш ва кейинчалик аниқлаш орқали амалга оширилади. масса спектрометридаги эркин ионларнинг. Санаб ўтилган усуллар аналитик атом спектрометрия усуллари гуруҳига ва элементар таҳлил усулларининг умумий тўпламига киради (қаранг. Аналитик кимё).

Лазер абласён усули иккала элемент ва изотопларнинг консентрациясини аниқлаш учун ишлатилади. У ион проби билан рақобатлашади. Иккинчиси анча кичикроқ таҳлил қилинадиган ҳажмни талаб қилади, лекин одатда анча қимматроқ.

Лазер абласёну сиртни нозик техник ишлов бериш ва нанотехнология учун ҳам қўлланади (масалан, бир деворли углерод нанотубаларини синтез қилишда).

Терминология

Лазерли абласён атамаси илмий адабиётларда нозик плёнкалар олиш, лазер намуналарини олиш ва материалларни қайта ишлаш каби соҳаларда кенг қўлланади. Жисмоний адабиётларда абласён (лат. аблатио „тортиб олиш“) мураккаб физик-кимёвий жараёнлар мажмуини англатади, натижада модда фазалар интерфейсидан чиқарилади. Лотин илдизининг маъносига кўра, ушбу атама модданинг ҳар қандай олиб ташланишини тавсифлаш учун ишлатилиши мумкин. Шу муносабат билан, атама остида лазер абласёну кенг маънода лазер нурланишининг таъсири остида моддани олиб ташлаш жараёни, шу жумладан буғланган материални ҳам, кимёвий этчингнинг учувчан маҳсулотларини ҳам олиб ташлаш тушунилади.

Адабиётда овуляция кимёвий боғланишларнинг йўқ қилиниши ва ёруғлик таъсирида эркин молекулалар, атомлар ва ионларнинг пайдо бўлиши натижасида юзага келадиган моддаларни олиб ташлаш жараёни тушунилганда атаманинг ҳаддан ташқари тор талқинини топиш мумкин. Шуни таъкидлаш керакки, абласён атамаси фанлараро бўлиб, адабиётда лазерлар пайдо бўлишидан анча олдин пайдо бўлган. Шундай қилиб, у металл намунасига электр разряди, иссиқ газ оқими, плазма таъсирида моддани олиб ташлаш жараёнини тавсифлаш учун ишлатилган. Космонавтика ва авиацияда аблатив ҳимоя атамаси махсус ҳимоя материал қатламининг эриши ва буғланиши учун иссиқликни танлаш орқали фюзеляж элементларининг ҳаддан ташқари қизишини самарали камайтириш усулини англатади. Бундан ташқари, шуни таъкидлаш керакки, бу атама геология ва глациологияда эриш ва буғланиш натижасида музлик ёки қор массасининг камайишини билдириш учун ишлатилади.

Кўпгина тадқиқотчилар лазер абласён атамаси билан, лазер нурланишининг модда билан ўзаро таъсири жараёнини тушунадилар, бунда эриш, буғланиш ёки дарҳол сублимация жараёни содир бўлиб, буғлар ва паст ҳароратли плазма ҳосил бўлади; одатда, бу жараёнлар бошланғич модданинг зарралари ва томчиларининг ҳар томонла учиши ҳам кузатилади.

Лазер абласёнининг асосий характерли хусусиятлари қуйидагилардан иборат:

моддада лазер пулс энергиясини тўғридан-тўғри сингдириш билан боғлиқ;
натижада плазма булути ҳосил бўлади;
конденсацияланган ва газсимон (ёки вакуумли) ёки суюқ фазалар орасидаги интерфейсда пайдо бўлади;
чегараси бор.

Усулнинг афзалликлари

Лазер абласёну турли соҳаларда қўлланади:

моддани таҳлил қилиш учун намуна олиш (ЛИБС, ЛА ИСП ОЭС, ЛА ИCП МС)
қисмларга ишлов бериш (микромашина)
юпқа плёнкалар, шу жумладан янги материаллар (ПЛД) ишлаб чиқариш

Лазерли буг ' фазасини чўктириш (ЛПА ёки ПЛД — пулсед ласер депоситион) — бу юқори энергияли лазер нурланишига таъсир қилиш натижасида мақсадли материалнинг тез эриши ва буғланиши, сўнгра вакуумда пüскüртüлмüş материални нишондан субстратга ўтказиш ва уни чўктириш жараёни.

Усулнинг афзалликлари қуйидагилардан иборат:

юқори чўкиш тезлиги (> 10 ¹⁵ атом см- ² с ⁻¹);
ётқизилган материални тез иситиш ва совутиш (¹⁰¹⁰ К с ⁻¹ гача), бу метастабил фазаларнинг шаклланишини таъминлайди;
нурланишнинг энергия параметрлари ва қатлам ўсиши кинетикаси ўртасидаги бевосита боғлиқлик;
кўп компонентли мақсадларни мос буғланиш имконияти;
юқори буғланиш ҳароратига эга бўлган кўп компонентли материални ўз ичига олган материалларни этказиб беришнинг қатъий дозаси;
ҳар хил ўлчамдаги, зарядланган ва кинетик энергиядаги (10-500 эВ) кластерларга агрегация, бу ётқизилган плёнканинг маълум бир тузилишини олиш учун электр майдони ёрдамида танловни амалга оширишга имкон беради.

Усулнинг тавсифи

Ла\А механизмининг батафсил тавсифи жуда мураккаб, механизмнинг ўзи лазер нурланиши билан мақсадли материални абласён жараёнини, юқори энергияли ионлар ва электронларни ўз ичига олган плазма маш’аласини ишлаб чиқишни ва субстратдаги қопламанинг кристалли ўсишини ўз ичига олади. Ла жараёнини умуман тўрт босқичга бўлиш мумкин:

лазер нурланишининг нишон билан ўзаро таъсири — мақсадли материални аблация қилиш ва плазма яратиш;
плазма динамикаси — унинг кенгайиши;
материални субстратга қўллаш;
субстрат юзасида кино ўсиши.

Ушбу босқичларнинг ҳар бири қопламанинг физик-механик ва кимёвий параметрлари ва шунинг учун тиббий-биологик ишлаш хусусиятлари учун жуда муҳимдир.

Атомларни материал ҳажмидан олиб ташлаш модданинг массасини сиртга буғлаш орқали амалга оширилади. Электронлар ва қоплама ионларининг дастлабки эмиссияси содир бўлади, буғланиш жараёни табиатан кўпинча термалдир. Ушбу нуқтада лазер нурланишининг кириб бориш чуқурлиги лазер нурланишининг тўлқин узунлигига ва нишон материалининг синиши индексига, шунингдек, мақсаднинг ғоваклилиги ва морфологиясига боғлиқ.

Лазер абласёнини тадқиқ қилиш бўйича биринчи ишлар 1962 йилда лазерлар пайдо бўлганидан бошлаб, амалга оширилиб келмоқда. Кўпгина ишларда 1960-йилларда микросанияли лазер импулслари ишлатилган. Ушбу тур учун, кузатилган ҳодисаларни юқори аниқлик билан тасвирлайдиган иссиқлик модели яратилди . Лазер технологиясининг ривожланиши 80-йилларнинг бошларида, лазер абласён ишларининг аксарияти наносекундлик лазер импулслари ёрдамида амалга оширилиши мумкин бўлди. Кейинги ўн йилликда пикосекундли лазерли абласён тадқиқотлари тобора ривожланиб келмоқда. Сўнгги 20 йил ичида фемтосекундлик импулс давомийлиги бўлган лазерлардан фойдаланиш кенг ривожланиши кутилади.

Плазма оқими тор ва нормалдан сиртга олдинга йўналтирилган (жараённинг давомийлиги бир неча ўнлаб пикосекундлар), деярли тарқалиш йўқ ва стокиёметрия бузилмайди.
Плазма маш’алининг кенгайиши (жараённинг давомийлиги бир неча ўн наносекундлар). Филмнинг стохиометрияси абласён моддасининг плазма плюсида кейинги тақсимланишига боғлиқ бўлиши мумкин.

Самолётнинг технологик жиҳатдан муҳим параметрлари

Материални субстратга қўллашда плёнкаларнинг ўсишига, физик-механик ва кимёвий хусусиятларига таъсир кўрсатадиган ла нинг асосий муҳим технологик параметрларини ажратиш мумкин:

лазер параметрлари — энергия зичлиги (Ж / см2) асосан боғлиқ бўлган омиллар. Аблатив заррачаларнинг энергияси ва тезлиги лазер энергиясининг зичлигига боғлиқ. Бу, ўз навбатида, абласён материалининг ионлашув даражасини ва плёнканинг стехиометриясини, шунингдек, чўкма ва плёнка ўсиш тезлигини аниқлайди.
сирт ҳарорати — сирт ҳарорати ядро зичлигига катта таъсир кўрсатади (бошланиш вақтида фаза ўтишнинг биринчи босқичи, янги, барқарор фазанинг барқарор ўсиб бораётган заррачаларининг асосий сонининг шаклланиши). Қоида тариқасида, нуклеация зичлиги субстрат ҳароратининг ошиши билан камаяди. Қопламанинг пüрüзлüлüğü, шунингдек, субстратнинг ҳароратига боғлиқ бўлиши мумкин.
субстрат юзасининг ҳолати — қопламанинг ядроланиши ва ўсиши сирт ҳолатига боғлиқ: олдиндан ишлов бериш (кимёвий ишлов бериш, оксид плёнкаси мавжудлиги ёки йўқлиги ва бошқалар); д.), морфология ва сирт пüрüзлüлüğü, нуқсонларнинг мавжудлиги.
босим — ядро зичлиги пуркаш тизимининг камерасидаги иш босимига боғлиқ ва натижада қопламанинг морфологияси ва пüрüзлüлüğü, шунингдек, босим параметрлари сирт стокиёметриясига таъсир қилади. Материални тагликдан камерага маълум лазер ва босим параметрларида қайта пуркаш ҳам мумкин.

Ҳозирги вақтда ион-плазма вакуум техникаси учун мос бўлган учта плёнка ўсиш механизми тасвирланган:

Волмер-Wебер микробларини ўстириш механизми : мукаммал кристалнинг атомик силлиқ юзларида амалга оширилади, улар Миллер индекслари паст бўлган юзлардир. Бу ҳолда кино ўсиши икки ўлчовли ёки уч ўлчовли ядроларнинг дастлабки шаклланиши орқали содир бўлади, улар кейинчалик субстрат юзасида доимий плёнкага айланади.
Франк-Ван дер Мерwе қатламли ўсиш механизми субстрат юзасида қадамлар мавжудлигида амалга оширилади, унинг манбаи, хусусан, катта Миллер индекслари бўлган юзларнинг табиий пüрüзлüлüğü. Ушбу юзлар Миллер индекслари паст бўлган яқин ўралган бўшлиқлар томонидан ташкил этилган атом қадамлари тўплами сифатида ифодаланади.
Странски-Крастанов механизми : оралиқ ўсиш механизми. Бу шундан иборатки, биринчи навбатда, ўсиш сиртда қатлам-қатлам механизми орқали содир бўлади, сўнгра намлаш қатлами (бир ёки бир нечта монотомик қатламларнинг қалинлиги) ҳосил бўлгандан сўнг, оролнинг ўсиш механизмига ўтиш содир бўлади. . Бундай механизмни амалга ошириш шарти ётқизилган материалнинг панжара константалари ва субстрат материали ўртасидаги сезиларли (бир неча фоиз) номувофиқликдир.

Усулнинг камчиликлари

Лазерли абласён усули спектрнинг кўринадиган ва яқин ИҚ минтақасида лазер нурланишини кам сингдирадиган (турли моддаларнинг оксидлари) ёки акс эттирувчи (бир қатор металлар) моддаларнинг плёнкаларини олиш билан боғлиқ муайян қийинчиликларга эга. Усулнинг муҳим камчилиги-бу нишон материалидан фойдаланишнинг паст даражаси, чунки унинг интенсив буғланиши фокал нуқта катталиги (~10 см) билан белгиланадиган тор эрозия зонасидан келиб чиқади.2) ва натижада кичик ёғингарчилик майдони (~10 см2). Лазерли пüскüртме пайтида мақсадли материалнинг фойдали коэффициэнти қиймати 1-2% ёки ундан кам. Эрозия зонасида кратер ҳосил бўлиши ва унинг чуқурлашиши модданинг фазовий тарқалиш бурчагини ўзгартиради, бунинг натижасида плёнкаларнинг қалинлиги ва таркиби жиҳатидан бир хиллиги ёмонлашади, шунингдек нишонни ишдан чиқаради, бу айниқса юқори частотали пüскüртме учун хосдир (импулсларнинг частотаси тахминан 10 кҲз). Плёнкаларнинг бир хиллигини ошириш ва нишоннинг ишлаш муддатини кўпайтириш нишонни текис параллел сканерлаш тезлиги тизимидан (~1 м/с) фойдаланишни талаб қилади, бу эса қўшни фокал доғларнинг бир-бирига ёпишишини олдини олади ва шу сабабли нишоннинг маҳаллий қизиб кетиши ва унда чуқур кратерлар пайдо бўлиши, аммо бу ички қурилманинг дизайни ва пüскüртме жараёнини сезиларли даражада мураккаблаштиради.

Шунингдек қаранг

Эслатмалар

Ҳаволалар