Лазерная абляция: различия между версиями

викификация
(редакция)
(викификация)
{{другие значения|Абляция}}
'''Ла́зерная абля́ция''' ({{lang-en|laser ablation}}) — метод удаления вещества с поверхности [[Лазер|лазернымлазер]]ным импульсом. При низкой мощности лазера вещество [[Испарение|испаряется]] или [[Сублимация (физика)|сублимируется]] в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая [[плазма]], обычно в данном случае тёмная, не светящаяся (этот режим часто называется ''лазерной [[десорбция|десорбцией]]''). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся [[Плазма|плазмы]] вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами ([[аэрозоль|аэрозоля]]). Режим лазерной абляции иногда также называется ''лазерной искрой'' (по аналогии с традиционной электрической искрой в аналитической спектрометрии, см. [[искровой разряд]]).
 
Лазерная абляция используется в [[Аналитическая химия|аналитической химии]] и [[Геохимия|геохимии]] для прямого локального и послойного анализа образцов (непосредственно без [[Пробоподготовка|пробоподготовки]]). При лазерной абляции небольшая часть поверхности образца переводится в состояние плазмы, а затем она анализируется, например, методами [[Атомно-эмиссионная спектроскопия|эмиссионной]] или [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрии]]. Соответствующими методами анализа твёрдых проб являются [[лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия]] (ЛИЭС; [[Английский язык|''анг''.]] [[:en:Laser induced breakdown spectroscopy|LIBS или LIPS]]) и лазерно-искровая масс-спектрометрия (ЛИМС). В последнее время быстро развивается метод ЛА-ИСП-МС ([[Индуктивно-связанная плазма в масс-спектрометрии|масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой]] и лазерной абляцией), при котором анализ производится путём переноса продуктов лазерной абляции (аэрозоля) в [[Индуктивно-связанная плазма|индуктивно-связанную плазму]] и последующим детектированием свободных ионов в масс-спектрометре. Перечисленные методы относятся к группе методов аналитической атомной спектрометрии и к более общей совокупности методов [[элементный анализ|элементного анализа]] (см. [[аналитическая химия]]).
 
Главными характерными особенностями лазерной абляции являются следующие:
1.# лазерная абляция связана с непосредственным поглощением энергии лазерного импульса в веществе;
 
2.# результатом лазерной абляции является формирование плазменного облака;
1. лазерная абляция связана с непосредственным поглощением энергии лазерного импульса в веществе;
3.# лазерная абляция происходит на границе раздела конденсированной и газообразной (или вакуума) или жидкой фаз;
 
4.# лазерная абляция имеет пороговый характер.
2. результатом лазерной абляции является формирование плазменного облака;
 
3. лазерная абляция происходит на границе раздела конденсированной и газообразной (или вакуума) или жидкой фаз;
 
4. лазерная абляция имеет пороговый характер.
 
== Преимущества метода ==
 
Лазерная абляция применяется в разнообразных областях:
* пробоотбор для анализа вещества (LIBS, LA ISP OES, LA ICP MS)
Лазерное парофазное осаждение (ЛПА или [[PLD]] — pulsed laser deposition) — это процесс быстрого плавления и испарения материала мишени в результате воздействия на него высокоэнергетического лазерного излучения, с последующим переносом в вакууме распыленного материала от мишени к подложке и его осаждения.
 
К преимуществам метода относятся: <br />
* высокая скорость осаждения (> 10<sup>15</sup> атом·см<sup>−2</sup>·с<sup>−1</sup>);
* быстрый нагрев и охлаждение осаждаемого материала (до 10<sup>10</sup> К·с<sup>−1</sup>), обеспечивающее образование метастабильных фаз;
 
== Описание метода ==
Подробное описание механизма ЛА является очень сложным, сам механизм включает процесс абляции материала мишени с лазерным облучением, развитие плазменного факела с содержанием ионов и электронов с высокой энергией, а также кристаллический рост самого покрытия на подложке. Процесс ЛА в целом можно разделить на четыре этапа: <br />
1.# взаимодействие лазерного излучения с мишенью — абляция материала мишени и создание плазмы;<br />
2.# динамика плазмы — ее расширение;<br />
3.# нанесение материала на подложку; <br />
4.# рост пленки на поверхности подложки. <br />
 
Каждый из этих этапов имеет решающее значение для физико-механических и химических параметров покрытия, а, следовательно, и медико-биологических эксплуатационных характеристик.
Подробное описание механизма ЛА является очень сложным, сам механизм включает процесс абляции материала мишени с лазерным облучением, развитие плазменного факела с содержанием ионов и электронов с высокой энергией, а также кристаллический рост самого покрытия на подложке. Процесс ЛА в целом можно разделить на четыре этапа: <br />
1. взаимодействие лазерного излучения с мишенью — абляция материала мишени и создание плазмы;<br />
2. динамика плазмы — ее расширение;<br />
3. нанесение материала на подложку; <br />
4. рост пленки на поверхности подложки. <br />
 
Каждый из этих этапов имеет решающее значение для физико-механических и химических параметров покрытия, а, следовательно, и медико-биологических эксплуатационных характеристик.
Удаление атомов из объема материала осуществляется испарением массы вещества на поверхность. Происходит первоначальная эмиссия электронов и ионов покрытия, процесс испарения по своей природе является чаще всего термическим. Глубина проникновения лазерного излучения в этот момент зависит от длины волны лазерного излучения и показателя преломления материала мишени, а также пористости и морфологии мишени.
 
== История ==
Первые работы по исследованию лазерной абляции были проведены с момента появления лазеров в 1962 году в работе<ref>{{Статья|автор = F. Brech and L. Cross|заглавие = Optical Microemission Stimulated by a Ruby MASER|издание = Appl. Spectrosc.|год = 1962|номер = 16|страницы = 59-6159—61}}</ref> . В большинстве работ в 1960-х были использованы лазерные импульсы микросекундной длительности. Для данного типа была создана тепловая модель, которая с высокой точностью описывала наблюдающееся явления<ref>{{Книга|автор = E.N. Sobol|заглавие = Phase Transformations and Ablation in Laser-Treated solids|место = Michigan|издательство = Wiley|год = 1995|страницы = 332}}</ref> . Развитие лазерной техники привело к тому что, в начале 80-х большинство работ по лазерной абляции выполнялось с помощью лазерных импульсов наносекундного диапазона. В следующее десятилетие все большие развитие получили исследования пикосекундной лазерной абляции. В последние 20 лет широкое развитие получило применения лазеров с фемтосекундной длительностью импульса<ref>{{Статья|автор = С.И. Анисимов, Б.С. Лукъянчук|заглавие = Избранные задачи теории лазерной абляции|издание = Успехи физических наук|год = 2002|номер = 127|страницы = 301}}</ref>
 
== Динамика плазмы ==
 
На втором этапе плазма материала расширяется параллельно нормали поверхности мишени к подложке из-за кулоновского отталкивания. Пространственное распределение факела плазмы зависит от давления внутри камеры. Зависимость формы факела от времени может быть описана в два этапа:
# Струя плазмы узкая и направлена вперед от нормали к поверхности (длительность процесса несколько десятков пикосекунд), практически не происходит рассеяния, не нарушается [[стехиометрия]].
<br />
# СтруяРасширение плазмы узкая и направлена вперед от нормали кплазменного поверхностифакела (длительность процесса несколько десятков пикосекунднаносекунд),. практическиОт недальнейшего происходитраспределения рассеяния,абляционного нематериала нарушаетсяв факеле плазмы может зависеть [[стехиометрия]] пленки. <br />
 Расширение плазменного факела (длительность процесса несколько десятков наносекунд). От дальнейшего распределения абляционного материала в факеле плазмы может зависеть стехиометрия пленки. <br />
 
Плотность факела может быть описана как зависимость cosn(х), близкая к гауссовой кривой. Дополнительно к остронаправленному пиковому распределению, наблюдается второе распределение, описываемое зависимостью cosΘ [43, 46]. Эти угловые распределения отчётливо указывают, что унос материала является комбинацией различных механизмов. Угол разлёта плазмы не зависит прямо от плотности мощности и характеризуется, главным образом, средним зарядом ионов в плазменном потоке. Увеличение лазерного потока даёт более высокую степень ионизации плазмы, более острый плазменный поток с меньшим углом разлёта. Для плазмы с ионами заряда Z=1 — 2 угол разлёта составляет Θ=24 ÷ 29°. Нейтральные атомы, главным образом, осаждаются на краю плёночного пятна, тогда как ионы с высокой кинетической энергией осаждаются в центре. Для того, чтобы получить однородные плёнки, край плазменного потока должен быть экранирован. Кроме угловой зависимости скорости осаждения наблюдаются определённые вариации в стехиометрическом составе испарённого материала в зависимости от угла Θ при осаждении многокомпонентных плёнок. Остронаправленное пиковое распределение сохраняет стехиометрию мишени, тогда как широкое распределение является нестехиометрическим. Как следствие, при лазерном осаждении многокомпонентных плёнок всегда существуют стехиометрические и нестехиометрические компоненты в плазменном потоке в зависимости от угла осаждения.
 
Также динамка разлета плазмы зависит от плотности мишени и ее пористости.
 
Для мишеней из одинакового материала, но разной плотности и пористости временные интервалы разлета плазмы различны.
 
Показано, что скорость абляции вдоль распространения лазерного излучения в пористом веществе в (1.5-2) раза превышает теоретические и экспериментальные результаты для скорости абляции в твердом веществе, описать режим и материал.
 
== Технологически важные параметры ЛА ==
 
Можно выделить основные важные технологические параметры ЛА оказывающие влияние на рост и физико-механические и химические свойства пленок при нанесении материала на подложку:
* параметры лазера — факторы от которых в основном зависит плотность энергии (Дж/см2). Энергия и скорость абляционных частиц зависит от плотности энергии лазера. От этого в свою очередь зависит степень ионизации абляционного материала и стехиометрия пленки, а также скорость осаждения и роста пленки.
Анонимный участник