Механизмы формирования поверхностного нанорельефа при лазерной абляции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены два механизма формирования поверхностного нанорельефа на металлической подложке при лазерной абляции, в основе которых лежат теория зародышеобразования при кристаллизации и резонансно-волновая теория капиллярно-деформационных процессов. С помощью экспериментальных примеров показано, что оба этих механизма не только не противоречат, но и дополняют друг друга. На основе иерархии характерных времен проанализировано влияние энергетических параметров лазерных импульсов на размеры образовавшихся наноструктур.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. С. Кулешов

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова; Московский физико-технический институт (национальное исследовательское учреждение)

Автор, ответственный за переписку.
Email: kuleshovps@yandex.ru
Россия, Москва; Москва

С. И. Миколуцкий

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН

Email: mikolserg@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ю. В. Хомич

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН

Email: kuleshovps@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Настулявичус А.А., Смирнов Н.А., Кудряшов С.И. и др. Получение наночастиц из тонких пленок серебра при воздействии лазерных импульсов в воздухе // Квантовая электроника. 2018. Т. 48. № 3. С. 251.
  2. Миколуцкий С.И., Хомич Ю.В. Влияние лазерного УФ-излучения наносекундной длительности на структуру и адгезионные свойства металлов и сплавов // ФММ. 2021. Т. 122. № 2. С. 159.
  3. Новиков И.А., Ножницкий Ю.А., Шибаев С.А. Мировой опыт в исследовании и применении технологического процесса лазерной ударной обработки металлов (обзор) // Авиационные двигатели. 2022. № 2(15). С. 59.
  4. Ионин A.A., Кудряшов С.И., Левченко А.О. и др. Гидродинамическая неустойчивость и самоорганизация субмикронного рельефа поверхности металлов при фемтосекундном лазерном облучении в жидкости // Письма в ЖЭТФ. 2017. Т. 106. Вып. 4. С. 247.
  5. Kirichenko N.A., Barmina E.V., Shafeev G.A. Theoretical and Experimental Investigation of the Formation of High Spatial Frequency Periodic Structures on Metal Surfaces Irradiated by Ultrashort Laser Pulses // Phys. Wave Phenom. 2018. V. 26. № 4. P. 264.
  6. Ганин Д.В., Миколуцкий С.И., Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Образование микронных и субмикронных структур на поверхности диоксида циркония при наносекундном лазерном воздействии // Квантовая электроника. 2014. Т. 44. № 4. С. 317.
  7. Пячин С.А., Пугачевский М.А. Новые технологии получения функциональных наноматериалов: лазерная абляция, электроискровое воздействие. Хабаровск, 2013. 38 с.
  8. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Поведение тантала вблизи критической точки при фемтосекундном лазерном нагреве // ТВТ. 2021. T. 59. № 1. С. 148.
  9. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ромашевский С.А., Евлашин С.А., Ашитков С.И. Фемтосекундная лазерная абляция железа // ТВТ. 2021. T. 59. № 5. С. 663.
  10. Хомич В.Ю., Ямщиков В.А. Основы создания систем электроразрядного возбуждения мощных CO2-, N2- и F2-лазеров. М.: Физматлит, 2014. 168 с.
  11. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Механизмы и модели прямого лазерного наноструктурирования материалов // УФН. 2015. Т. 185. С. 489.
  12. Варюхин А.Н., Захарченко В.С., Рахманкулов Д.Я. и др. Традиционные, гибридные и электрические силовые установки самолетов местных воздушных линий // Авиационные двигатели. 2022. № 1(14). С. 19.
  13. Кулешов П.С., Кузнецов А.М., Кулешова Ю.Д. Диспергация металлических нанопленок при лазерном сканировании // Вестн. МГОУ. Сер. Физика‒математика. 2022. № 1. С. 41.
  14. Миколуцкий С.И., Шмаков В.А., Хомич В.Ю., Ямщиков В.А. Зарождение и рост наноструктур на поверхности твердого тела, оплавленного лазерным импульсом // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6. № 11–12. С. 65.
  15. Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Возможность прямого лазерного наноструктурирования поверхности без оплавления материала // ФХОМ. 2008. № 4. С. 15.
  16. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Образование периодических наноразмерных структур на поверхности твердых тел при фазовых и структурных превращениях // Докл. РАН. 2012. Т. 446. № 3. С. 276.
  17. Лапшин К.Э., Обидин А.З., Токарев В.Н., Хомич В.Ю., Шмаков В.А., Ямщиков В.А. Прямое лазерное наноструктурирование поверхности алмазных пленок и керамики нитрида кремния наносекундными импульсами излучения F2-лазера // Российские нанотехнологии. 2007. № 11–12. С. 50.
  18. Emel’yanov V.I. Kuramoto-Sivashinsky Equation for Modulation of Surface Relief of Molten Layer and Formation of Surface Periodic Microstructures under Pulsed Laser Irradiation of Solids // Las. Phys. 2011. V. 21. Is. 1. P. 222.
  19. Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Хохлов В.А. Динамика абляции золота в воду // ЖЭТФ. 2018. Т. 154. № 1(7). С. 92.
  20. Inogamov N.A., Khokhlov V.A., Petrov Yu.V., Zhak-hovsky V.V. Hydrodynamic and Molecular-dynamics Modeling of Laser Ablation in Liquid: from Surface Melting Till Bubble Formation // Opt. Quantum Electron. 2020. V. 52. № 2. Art. 63. 24 pp.
  21. Хомич В.Ю., Шмаков В.А. Образование наноструктур на поверхности твердых тел при лазерном плавлении // Докл. РАН. 2011. Т. 438. № 4. С. 460.
  22. Кулешов П.С. О диспергировании наночастиц алюминия // Горение и взрыв. 2019. T. 12. № 3. С. 118.
  23. Кулешов П.С., Кобцев В.Д. Распределение кластеров алюминия и их воспламенение в воздухе при диспергации наночастиц алюминия в ударной волне // ФГВ. 2020. Т. 56. № 5. С. 80.
  24. Гуренцов Е.В., Кулешов П.С., Михеева Е.Ю. К вопросу об аномальном поведении оптической плотности железных наночастиц при их нагреве ударной волной // ТВТ. 2022. T. 60. № 2. С. 213.
  25. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Учеб. пособ. Т. 6. Гидродинамика. 3-е изд., перераб. М.: Наука, 1986. 738 с.
  26. Серков А.А., Кузьмин П.Г., Раков И.И., Шафеев Г.А. Влияние лазерного пробоя на фрагментацию наночастиц золота в воде // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. № 8. С. 713.
  27. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику: учеб. / Под ред. Красильникова В.А. М.: Наука, 1984. 400 с.
  28. Физические величины. Спр. / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема капиллярного механизма взаимодействия лазерного импульса с металлической подложкой и выбор масштаба резонатора s (длины ванны расплава): (а) – образование газовой каверны и расплава металла глубиной  под действием лазерного импульса, (б) – формирование стоячих деформационных волн под действием схлопывающейся газовой каверны, (в) – усиление деформационными волнами стоячих капиллярных волн на поверхности расплава, (г) – застывание капиллярных волн и формирование поверхностного рельефа.

Скачать (256KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема формирования капиллярного нанорельефа с характерным пространственным периодом λH при образовании твердой корки из кристаллов радиусом Rz над расплавом.

Скачать (215KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схематичная иерархия характерных времен при образовании нанорельефа на подложке методом лазерной абляции в случае одинакового диаметра лазерных лучей: (а) – для короткого лазерного импульса [2], (б) – для длинного лазерного импульса [7]; tc – время схлопывания каверны, tk – время капиллярного колебания, τ – время подвода лазерного излучения, tz – время образования кристаллического зародыша.

Скачать (36KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024