Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время интерес к алмазным материалам бурно растет в связи с возникновением технологий их производства, которые позволяют получать искусственные моно- и поликристаллические алмазы высокого качества и размерами сопоставимыми или даже превосходящими лучшие образцы природных кристаллов. Кристаллиты в поликристаллической алмазной пленке растут в форме колонн с типичным поперечным размером порядка 10-20% от толщины пленки, так что, например, для пленки толщиной 500 мкм характерный размер зерен может составлять 50-100 мкм. Негативной характеристикой таких пленок является большое значение шероховатости, которое пропорционально толщине и может достигать значений нескольких микрометров. Развитие технологии синтеза искусственного алмаза в виде тонких пленок позволило получить новый вид алмазных покрытий - так называемые ультрананокристаллические алмазные (УНКА) пленки - с алмазными зернами размером несколько нм, на границах которых находится нанокристаллический графит и транс-полиацетилен. Основное отличие УНКА от нанокристаллических (НКА) пленок заключается в том, что благодаря добавлению аргона в газовую смесь при их осаждении размер кристаллитов составляет величину от 2 до 5нм и не зависит от толщины пленки, а в случае НКА пленки - десятки нанометров. В результате УНКА пленки при толщине от 100 нм до 10 мкм обладают низкой шероховатостью (10-50 нм), высокой микротвердостью (80-90 ГПа), достаточной прозрачностью, что важно для их применений, например, в ИК оптике и позволяет избежать сложной и дорогостоящей процедуры полировки пленок.
Весьма перспективными с точки зрения практического применения являются также алмазоподобные (АП) углеродные пленки, получаемые методом вакуумного напыления [1]. Для данной работы наибольший интерес представляли АП пленки с доминирующим количеством sp3 связей. Это так называемые пленки тетраэдрически координированного аморфного углерода (tetrahedrally bonded amorphous carbon - ta-C). В таких пленках содержание sp связей может достигать 80%, а твердость - 80 ГПа [2]. По сравнению с водородсодержащими аморфными углеродными (а-С:Н) пленками износостойкость ta-C пленок значительно выше благодаря высокой твердости и плотности [3], что и обусловливает их широкое применение в качестве защитных, износостойких и низкофрикционных покрытий в различных областях науки и техники.
Высокая твердость и химическая инертность алмазных материалов вызывают значительные сложности при их дальнейшей обработке: резке, сверлении, полировке, микро- и наноструктурировании и пр. В этом случае лазерное излучение выступает в роли единственного эффективного и гибкого инструмента для модификации таких пленок в воздушной атмосфере. Хорошо известно, что с помощью доступных коммерческих лазеров можно локально нагреть и аблировать алмазные материалы путем испарения. Испарительная абляция алмазных материалов сопровождается графитизацией поверхности, что вызывает ограничения в практическом применении: необходимость удаления лазерно-индуцированного графитоподобного материала; разрешение по глубине, определяемое толщиной графитизованного слоя, как показано в [4], не может быть менее 10 нм даже при облучении короткими (фс) импульсами. Преодолеть указанные сложности можно с помощью режима безграфитизационной низкоскоростной абляции (скорость менее 1 нм/имп, вследствие чего он был назван «наноабляцией»), недавно обнаруженного для природного монокристалла алмаза и вызванного окислением поверхности [5]. Ранее травление поверхности, обусловленное лазерно- индуцированным окислением, упоминалось при импульсном [6] и непрерывном [7] лазерных воздействиях на а-С:Н пленки, однако оставалось практически неисследованным. Вместе с тем для ta-C и УНКА пленок такой режим абляции не был известен, хотя именно для этих многообещающих нанокристаллических алмазных материалов актуален прецизионный способ лазерной обработки.
Целью диссертационной работы являлись экспериментальный поиск и исследование таких режимов лазерного облучения, при которых абляция (травление) алмазных материалов (ta-C и УНКА пленок) может происходить со скоростью менее 1 нм/имп и соответственно с высокой точностью. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
сравнительный анализ и исследование процесса абляции алмазных материалов для различных лазерных источников с фемтосекундной и наносекундной длительностью импульса в широком диапазоне плотностей энергии от 0.01 до 500 Дж/см с целью установления закономерностей и физических причин лазерно-индуцированного травления;
изучение влияния содержания кислорода в газовой среде (воздух, низкий вакуум) и температуры облучаемого образца на процесс наноабляции алмазных материалов;
проведение анализа структуры лазерно-модифицированного слоя с помощью КР спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии и установление зависимости степени кристаллизации пленок от плотности энергии и числа импульсов;
исследование влияния степени легирования азотом УНКА пленок на пороги и скорости их реактивного травления.
Защищаемые положения 1. Абляция УНКА и ta-C пленок возможна в трех различных режимах в зависимости от условий импульсно-периодического воздействия эксимерного лазера: режим 1 (физический) характеризуется термостимулированным фазовым переходом алмаз- графит и последующим испарением графитизированного слоя (скорость абляции и>10 нм/импульс); особенностью режима 2 (термохимического) является формирование графитоподобного слоя на поверхности и его импульсное окисление, вызванное лазерным нагревом (0.01^0.5 нм/импульс); режим 3 предположительно обусловлен фотоин- дуцированным ослаблением межатомных связей на поверхности алмазных пленок и последующим окислением слабосвязанных атомов (кластеров) углерода со скоростью 10-4^10-3 нм/импульс.
-
-
УНКА-пленки, полученные при добавлении 30%N2 в газовую смесь при осаждении, представляют собой модельный материал для изучения влияния функционального состояния поверхности на скорость их лазерно-индуцированного окисления. Изменение функционального состояния поверхности УНКА-пленки приводит к отклонению зависимости скорости травления от аррениусовой.
-
При термохимической наноабляции ta-C пленок в течение начальных 10000 импульсов облучения высота графитизованной в первом импульсе области не меняется, при этом вся поглощенная энергия тратится на увеличение размера sp кластеров от 0.6 до 1.3 нм, и окисление не происходит совсем либо незаметно на фоне расширения материала.
Научная новизна
Впервые определены режимы импульсного лазерного облучения, позволяющие реализовать наноабляцию (скорости удаления материала менее 1 нм/импульс) ta-C и УНКА пленок.
Установлен механизм наноабляции таких пленок - импульсное окисление (травление) материала, и исследованы ее основные закономерности.
Основные результаты работы, отраженные в выводах к диссертации, имеют приоритетный характер.
Практическая ценность работы
Проведенные исследования продемонстрировали возможность применения лазерной абляции для сверхпрецизионного структурирования алмазных материалов с нанометровым разрешением по глубине. Особенностью установленных режимов травления является отсутствие графитизованного слоя после лазерного воздействия, что позволяет избежать дальнейшей обработки.
Личный вклад диссертанта
Диссертант лично выполнил экспериментальные исследования по лазерному воздействию на алмазные материалы. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: IX International Conference "Laser & Laser-Information Technologies: Fundamental Problems & Applications", October 3-8, 2006, Smolyan, Bulgaria; 8th International Workshop on Fundamentals of Ablation with Short Pulsed Solid State Lasers, February 7-9, 2007, Hirschegg, Austria; Вторая всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям, 2008, Саров, Россия; International Workshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", August 3-9, 2008, Polvijarvi, Finland; 3rd International Symposium "Detonation Nanodiamonds: Technology, Properties and Applications" (Nanodiamond' 2008) July 01-04, 2008, St Petersburg, Russia; 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09) July 13-17, 2009, Barcelona, Spain; Международный форум по нанотехно- логиям (Rusnanotech'09), 6-8 октября 2009, Москва, Россия; 7th International Seminar on Mathematical Models and Modeling in Laser-Plasma Processes (LPPM3-2010), January 2729, 2010, Russia; 18th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'10), September 11-16, 2010, Netherlands; 19th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'11), September 03-08, 2011, Bulgaria.
Публикации
Основные результаты опубликованы в 16 работах: 6 статей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, и 10 тезисов международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка основных результатов. Диссертация содержит 105 страниц, включая 37 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 89 наименований.
Похожие диссертации на Лазерная наноабляция аморфных и нанокристаллических углеродных пленок
-
