Наноструктурирование твердых тел при абляции
реклама
Российская академия наук Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А. М. Прохорова Научный центр волновых исследований (филиал) На правах рукописи Бармина Екатерина Владимировна Наноструктурирование твердых тел при абляции субнаносекундными лазерными импульсами в жидкостях (01.04.21 – лазерная физика) Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель д. ф.-м. н. Шафеев Г. А. Москва – 2013 2 Работа выполнена в Научном центре волновых исследований (филиал) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук Научный руководитель: д.ф.-м.н., Шафеев Георгий Айратович Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., Алимпиев Сергей Сергеевич, заведующей лабораторией лазерной диагностики Отдела колебаний Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН к.ф.-м.н., Кудряшов Сергей Иванович, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров Отдела квантовой радиофизики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института имени П.Н. Лебедева РАН Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН Защита состоится «______ »________________2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.01 в Институте общей физики им А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, д. 38. С авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН Автореферат разослан «_____ » ___________________2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук В. М. Кузькин 3 1. Общая характеристика работы Возникновение упорядоченных (периодических) поверхностных структур - оптически наведенных решеток при импульсном лазерном воздействии на конденсированные среды было обнаружено около 50 лет назад, практически одновременно с появлением мощных импульсных лазеров. Впервые такого рода структуры наблюдались при облучении полупроводников Ge и Si импульсами излучения рубинового лазера [1]. Но лишь примерно с 1980 г. начались интенсивные экспериментальные и теоретические исследования эффекта образования поверхностно-периодических (ППС) структур на полупроводниках и металлах [2-12]. Авторами работ [13, 14] был предложен механизм образования таких структур. Наиболее типичными материалами, на которых возникают поверхностно периодические структуры по описанному механизму, являются металлы и сплавы, а также большинство полупроводников, проводимость которых становится металлической по достижении температуры плавления. Как выяснилось, образование периодических структур на поверхности твердых тел при воздействии лазерного излучения представляет собой универсальное явление, самопроизвольно возникающее всякий раз, когда интенсивность лазерного излучения оказывается достаточно высокой. Физика их возникновения связана с пространственно-неоднородным нагревом поверхности; необходимое для этого неоднородное поле является результатом интерференции падающей лазерной волны с полем, образовавшимся вследствие рассеяния (дифракции) лазерного излучения на флуктуационных модуляциях рельефа поверхности. Последние, как оказалось, являются поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ), существование которых является следствием решением уравнения Максвелла для границы двух сред. В процессе своего распространения ПЭВ интерферируют с падающим лазерным излучением. В результате интерференции этих двух бегущих в противоположных направлениях волн возникает результирующее пространственное стационарное распределение интенсивности излучения, модулированное в пространстве с тем же периодом, что и резонансная решетка.При достаточной интенсивности излучения в сформировавшемся интерференционном поле происходят неоднородный разогрев среды и вызванное им увеличение высоты резонансного рельефа вследствие активации различных тепловых процессов на поверхности. Последнее замыкает цепь положительных обратных связей и приводит к росту резонансного рельефа, от высоты которого зависят эффективность возбуждения ПЭВ и глубина модуляции интерференционного поля. Различные физико-химические процессы, такие, как испарение, оплавление поверхности и вытеснение расплава избыточным давлением паров, термокапиллярные явления и термохимические реакции, приводят к образованию ППС. После окончания воздействия и остывания поверхности наведенный рельеф закрепляется в виде ППС, период которых порядка длины волны воздействующего лазерного излучения. В случае 4 нормального падения излучения на мишень на воздухе период ППС d=а в жидкости d=n, где n – показатель преломления жидкости. Для линейно-поляризованного лазерного излучения ориентация ППС перпендикулярна вектору поляризации световой волны. В ряде случаев наблюдается образование ППС с субволновым периодом при облучении мишеней на воздухе [15-21]. При лазерной абляции твердых тел в жидкостях расплавленный слой мишени непосредственно граничит с парами окружающей среды. Из-за короткого времени нагрева поверхности вещества по сравнению со временем релаксации системы и вследствиевысоких градиентов температуры процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом является сильно неравновесным. При использовании коротких лазерных импульсов увеличивается плотность паров испаряемой жидкости над поверхностью образца. В таких условиях вязкое взаимодействие паров с ванной расплава мишени может приводить к развитию целого ряда неустойчивостей, таких, как неустойчивость Кельвина - Гельмгольца, Рэлея - Тейлора или Рихтмайера - Мешкова [22- 25]. Периодические структуры, возникающие в результате развития этих неустойчивостей, хорошо известны в задачах лазерной абляции твердых тел в вакууме или разреженных газах [26, 27]. При абляции мишеней, таких как Si, W, Cu, бронза и. т. д., давление паров материала мишени на ее поверхность мало и генерация структур определяется в основном термокапиллярными силами. Лазерная абляция твердых тел в жидкостях также сопровождается изменением морфологии облученной воздействующего поверхности. лазерного излучения При достаточно протекает большой процесс плотности генерации энергии наночастиц в окружающую жидкость вследствие диспергирования расплавленного слоя на поверхности мишени в окружающую мишень среду. После окончания лазерного импульса оставшийся расплав затвердевает, при этом на нем возникают структуры. Впервые такого рода самоорганизующиеся наноструктуры были обнаружены на серебре при его лазерной абляции пикосекундными лазерными импульсами в воде [28]. Позже были получены самоорганизующиеся наноструктуры на поверхности золота и алюминия при их лазерной абляции пико- (длина волны излучения 1064 нм)- и фемтосекундными (длина волны излучения 800 нм) лазерными импульсами в воде и этаноле, соответственно [29- 32]. Средний поперечный размер таких структур, как было показано, составляет 100-200 нм, т.е. много меньше длины волны лазерного излучения в среде. Однако остается неясным, является ли данное явление универсальным как для металлов, так для полупроводников. В процессе выполнения настоящей диссертационной работы была опубликована статья [33], в которой сообщается об образовании наноструктур при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на титановую подложку в воздухе и воде. Были реализованы структуры, период которых зависел от плотности энергии и 5 окружающей среды.При субнаносекундной длительности лазерных импульсов толщина расплава на поверхности твердого тела составляет порядка 10 нанометров, что и определяет характерный масштаб возникающих наноструктур. Тонкий слой расплава быстро остывает вследствие теплоотвода в подложку, что позволяет зафиксировать нанорельеф поверхности, сформировавшийся вследствие перераспределения расплава под действием сил давления окружающей мишень среды. При больших длительностях лазерных импульсов скорость остывания расплава значительно меньше, и образование наноструктур подавляется поверхностным натяжением расплава, стремящимся сгладить неоднородности расплава с малым радиусом кривизны. Представляется возможным расширить класс материалов, на которых будет возможно образование самоорганизующихся наноструктур при лазерной абляции твердых тел в жидкостях. Кроме того, к началу диссертационной работы не было исследована зависимость морфологии наноструктуры от лазерных параметров. Как говорилось выше, возможным механизмом образования наноструктур является выталкивание расплава мишени парами окружающей среды при воздействии коротких и ультракоротких лазерных импульсов. Поэтому их морфология и свойства могут зависеть от толщины ванны расплава материала, которая, в свою очередь, зависит от таких лазерных параметров, как длительность импульса, плотность энергии лазерного излучения, количества воздействующих импульсов и. т д. Кроме того, толщина ванны расплава может меняться с числом импульсов, поскольку воздействие лазерного излучения приводит к изменению поглощательной способности поверхности мишени. Исследование этих зависимостей позволяет получить более ясное описание процесса образования наноструктур на поверхности твердых тел при их лазерной абляции в жидкостях. Как уже отмечалось, ППС ориентированы перпендикулярно вектору поляризации падающей световой волны. Исследуемые в работе наноструктуры могут сосуществовать с ППС при лазерной абляции твердых тел в жидкостях. Представляется возможным реализация двумерного массива взаимно-ортогональных ППС с наноструктурами при лазерной абляции твердых тел в жидкостях с использованием метода двойной экспозиции. Предполагается, что наноструктуры будут располагаться в местах пересечения ППС, и их размер будет определяться размерами области пересечения пары ортогональных ППС. А поскольку при нормальном падении излученияпериод ППС зависит от таких лазерных параметров, как длина волны лазерного излучения и показатель преломления жидкости, то и средний поперечный размер наноструктур будет определяться этими же параметрами. Меняя показатель преломления окружающей среды (различные жидкости) и длину волны лазерного излучения, можно изменять граничные условия образования наноструктур и тем самым управлять 6 размеромнаноструктур. Таким образом, использование метода двойной экспозиции позволит реализовать двумерный однородный массив наноструктурзаданного размера. Как было показано, образование наноструктур под действием коротких лазерных импульсов на мишень (серебро, золото алюминий) в жидкостях сопровождается изменением цвета облученных участков. Было установлено, что изменение спектра поглощения мишени (появление окраски) связано с образованием наноструктур на поверхности образцов. Возникают дополнительные полосы поглощения вблизи плазмонных резонансов электронов в наноструктурах соответствующих металлов, происходит изменение смачиваемости поверхности. Кроме того, благородные металлы, наноструктурированные с помощью лазерной абляции в жидкостях, демонстрируют эффект гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) молекул, адсорбированных на них [28-30]. Представляет интерес исследовать зависимость спектра поглощения наноструктурированных подложек в зависимости от экспериментальных условий образования наноструктур при абляции в жидкостях субнаносекундными лазерными импульсами. Одним из главных достоинств наноструктурированных подложек, созданных при помощи лазерной абляции в жидкостях, является образование локализованных наноструктур с малым радиусом кривизны. Как известно, такого роды структуры демонстрируют «эффект громоотвода» [34, 35]. Можно ожидать, что наноструктурированные поверхности смогут найти применения в тех процессах, которые сильно зависят от электрического поля, такие как генерация второй гармоники, комбинационное рассеяние, полевая и термо-эмиссии электронов. Приложенное внешнее поле на наноструктурах с малым радиусом кривизны будет заметно усиливаться, будь то поле световой волныили статическое поле. Кроме того, наноструктурированные поверхности с масштабом порядка сотни нанометров могут найти широкий круг применений в биологии и медицине. Научная новизна Полученные в диссертационной работе результаты представляют собой первое экспериментальное исследование процесса образования самоорганизующихся наноструктур, не исследованных раннее. В частности, впервые получены самоорганизующиеся наноструктуры на ряде металлов и полупроводников при их лазерной абляции в жидкостях субнаносекундными лазерными импульсами. Впервые получены данные о зависимости морфологии наноструктур от различных лазерных параметров, таких, как длительность импульса, время задержки между двумя фемтосекундными импульсами, число лазерных импульсов и плотность энергии лазерного пучка на мишени. Совокупность полученных данных позволяет выделить исследованные наноструктуры в самостоятельный класс структур. Исследованы оптические 7 свойства наноструктурированных поверхностей. Предложен метод двойной экспозиции, позволяющей реализовывать двумерные однородные массивы наноструктур заданного размера.Впервые предложены и реализованы различные применения поверхностей, наноструктурированных с помощью лазерной абляции в жидкостях. Защищаемые положения 1. Лазерная абляция твердых тел в жидкостях сопровождается возникновением самоорганизующихся наноструктур, период которых не зависит от длины волны лазерного излучения 2. Самоорганизующиеся наноструктуры возникают вследствие вытеснения расплава на поверхности мишени под действием давления отдачи паров окружающей жидкости 3. Период и поперечные размеры наноструктур можно контролировать с помощью двойной экспозиции мишени в жидкости линейно-поляризованным лазерным излучением Апробация работы Результаты работы докладывались на международных и российских конференциях, в частности, на конференциях EuropeanMaterialResearchSocietyEMRS- 2009 (г. Страсбург, Франция), EMRS- 2011 (г. Ницца, Франция), Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства, (г. Владимир, 2009), Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям, (г. Саров, 2010), 54-ая Научная конференция МФТИ, Факультет проблем физики и энергетики (ФПФЭ), (г. Долгопрудный, 2011). Результаты, полученные в диссертационной работе, неоднократно докладывались на научных семинарах Научного центра волновых исследований (филиал)Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН (НЦВИ ИОФРАН), ИОФРАН, а также конкурсах научных работ ИОФРАН и ФПФЭ МФТИ. Работа поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) гранты 11-08-00574-а, 10-0290044-Бел_а, 12-02-31053-мол_а, Научными школами Ф. В. Бункина 8108.2006.2, 214.2012.2 и И. А. Щербакова, Стипендией Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Публикации Основные результаты диссертации изложены в 6 научных статьях, опубликованных в реферируемых ведущих отечественных и зарубежных журналах в 2009 - 2013 гг., таких, как Квантовая электроника, Applied Surface Science и т. д. и одной монографии, выпущенной издательством PanStanford под редакцией K. Sugioka. 8 Личный вклад автора Цель работы и методы исследования были сформулированы руководителем диссертационной работы д.ф.-м.н. Г.А. Шафеевым. Личный вклад автора состоял в проведении экспериментов и анализе результатов. Все вошедшие в диссертацию научные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Объем работы Диссертация состоит из Введения (Глава 1), пяти содержательных глав (главы 2, 3, 4, 5, 6), Заключения, и содержит 133 страницы текста, включая 74 рисунка и библиографию из 103 наименований. Практическая значимость работы Исследованный в работе процесс лазерной абляции в жидкостях субнаносекундными импульсами позволяет получать протяженные массивы наноструктур размером несколько десятков квадратных сантиметров за экспериментально короткое время, практически в режиме «лазерного рисования». В работе предложены и реализованы различные применения самоорганизующихся наноструктур – улучшение термоэмиссионных свойств, эффект ГКР, медицинские и биологические применения исследованных наноструктур. Найденные в работе существенные экспериментальные параметры, определяющие свойства наноструктур, позволяют реализовать наноструктуры с заданными характеристиками. 2. Краткое содержание диссертации Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Во Введении приводится литературный обзор по лазерному наноструктурированию твердых тел и обосновывается актуальность работы. Проведен анализ литературных данных об образовании поверхностных периодических структур (ППС) при воздействии лазерных импульсов на металлы и полупроводники. Анализируются особенности процесса лазерной абляции твердых тел в жидкостях. Во Введении приводятся сведения об используемых в работе оборудования и методах исследования. Поскольку лазерное воздействие на поверхность твердого тела сопровождается разнообразными модификациями физико-химических свойств, в работе применяется широкий спектр аналитических методик, в их числе: 1. Спектроскопия комбинационного рассеяния, 2. Спектроскопия фотолюминесценции, 3. Спектроскопия диффузного рассеяния, 4. Сканирующая электронная и атомно - силовая микроскопии. 9 В главе описаны экспериментальные методы, примененные в работе. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы и основные защищаемые положения. Во второй главе приведены оригинальные экспериментальные результаты по образованию наноструктур на Ta, Ti, Mo, Ni и других твердых телах при воздействии на них в жидкостях (вода, этанол и др.) лазерных импульсов субнаносекундной длительности. Структуры представляют в своем большинстве сферические или полусферические образования, в зависимости от длительности лазерного импульса. На рис. 1 приведен вид поверхности танталовой мишени, подвергнутой абляции в воде под действием пикосекундных лазерных импульсов. Рис. 1. Общий вид поверхности наноструктурированного тантала при воздействии лазерного излучения с длиной волны 248 нм и длительностью импульса 5 пс. На вставке показано распределение поперечного размера наноструктур по изображению. Масштабная метка соответствует 100 нм. Структуры образованы под действием 200 лазерных импульсов. Образование наноструктур на поверхности твердых тел при их лазерной абляции в жидкости обусловлено выталкиванием расплава мишени парами окружающей жидкости из области более высокого давления в область более низкого. Показано, что для формирования сферической наноструктуры диаметром 200 нм необходимо, чтобы эта разность давлений была порядка 40 МПа. Такого рода наноструктуры являются самоорганизующимися, поскольку их размер никак не зависит от диаметра пятна лазерного излучения. Также следует отметить, что образование 10 самоорганизующихся наноструктур происходит при воздействии на мишень в жидкости лазерных импульсов длительностью менее 1 нс. Экспериментально исследована зависимость морфологии наноструктур от исходной поверхности мишени. Показано, что образование самоорганизующихся наноструктур происходит на тех участках, где присутствуют микроцарапины или начальная затравка на рельефе поверхности. Экспериментально установлено, что распределение среднего поперечного размера наноструктур по размерам является бимодальным. Один из пиков лежит в пределах 50- 250 нм, в зависимости от экспериментальных условий, и не зависит от длины волны падающего излучения. Второй максимум определяется длиной соответствует ППС. формированию Также волны падающего излучения и отмечено сосуществование ППС и самоорганизующихся наноструктур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на мишень в жидкости. В третье главе экспериментально исследована зависимость морфологии, размера и плотности самоорганизующихся наноструктур от различных лазерных параметров. Основным возможным механизмом образования наноструктур является процесс вытеснения расплава мишени парами окружающей среды при воздействии коротких и ультракоротких лазерных импульсов. Поэтому их морфология и свойства должны зависеть от толщины ванны расплава материала, которая в свою очередь зависит от таких лазерных параметров, как длительность импульса, плотность энергии лазерного излучения, количества воздействующих импульсов и.т.д. Совокупность полученных экспериментальных данных подтверждает сделанное предположение. Экспериментально установлено, что при сокращении длительности лазерного импульса на порядок средний поперечный размер структур сокращается примерно в 5 раз. Кроме того, при уменьшении плотности энергии распределение среднего поперечного размера наноструктур смещается в область меньших размеров, а доля структур, соответствующих образованию ППС, заметно сокращается. При этом размер самоорганизующихся наноструктур никак не связан с длиной волны падающего излучения. Вместе с тем, плотность структур зависит нелинейно от числа импульсов и плотности энергии лазерного излучения. Такая зависимость показана на рис. 2. Видно, что даже 100 импульсов достаточно для того, чтобы сформировался плотный массив структур, и конечная плотность структур зависит от плотности энергии лазерного пучка на мишени. Зависимость плотности наноструктур от числа лазерных импульсов носит характер неустойчивости и быстро выходит на стационарный уровень, зависящий от плотности энергии. 11 2 NS density, cm-2 J=1.3 J/cm 2 J=0.8 J/cm 2 J=0.6 J/cm 6x10 8 4x10 8 2x10 8 0 0 100 200 300 400 500 600 Number of pulses Рис. 2. Плотность наноструктур на поверхности титана как функция числа лазерных импульсов для различных плотностей энергии. Абляция в воде, длина волны излучения 248 нм, длительность импульса 5 пс. Как следствие, среднее расстояние (период) наноструктур зависит от плотности энергии лазерного пучка на мишени. Этот факт можно интерпретировать как зависимость толщины расплава, из которого формируются наноструктуры, от плотности энергии. Экспериментально установлена зависимость между плотностью структур и задержкой между двумя фемтосекундными лазерными импульсами при лазерной абляции твердых тел в этаноле. Показано, что при воздействии ультракоротких задержанных лазерных импульсов на поверхность вольфрама и кремния в этаноле наблюдается сосуществование ППС и самоорганизующихся наноструктур. При этом плотность самоорганизующихся наноструктур, в отличие от периода ППС, существенно зависит от задержки между импульсами. Максимум кривой зависимости плотности наноструктур, как на вольфраме, так и на кремнии, наблюдается при задержке между двумя фемтосекундными импульсами, равной 1 пс. Такую зависимость плотности структуры можно интерпретировать как изменение толщины слоя расплава от задержки между двумя импульсами. При достижении времени электрон-фононной релаксации происходит передача энергии электронов кристаллической решетки, в результате чего достигается максимальная толщина слоя расплава на мишени и, как следствие, возрастает плотность наноструктур, формирующихся, как уже говорилось выше, при выталкивании слоя расплава парами окружающей среды. В металлах теплоемкость вырожденных электронов мала, поэтому начальная электронная температура сильно превышает температуру металла в равновесном состоянии и может составлять десятки тысяч градусов. При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов, решеточная подсистема не успевает отреагировать на энерговклад, и сразу после воздействия ее температура равна начальной. 12 Следует отметить, что положение максимумов плотности наноструктур на поверхности вольфрама и кремния наблюдается при задержке между импульсами порядка времени электронфононной релаксации для этих материалов, полученными другими авторами. В четвертой поверхностей. главе исследованы Экспериментально оптические установлено, что свойства наноструктурированных образование самоорганизующихся наноструктур на поверхности серебра, золота и титана приводит к изменению их спектра поглощения, а именно - к смещению в область меньших частот основного максимума поглощения (пика плазмонного поглощения объемного металла). Кроме того, в спектре поглощения наноструктурированных подложек появляется новый пик, который практически совпадает с расчетными значениями для наночастиц соответствующих металлов. Небольшое смещение в красную область от теоретических данных обусловлено вкладом продольного резонанса в пик поглощения вследствие удлиненной формы структур. Исследование фотолюминесценции наноструктурированной положки золота показывает, что ее пик совпадает с теоретическими значениями максимума поглощения, при этом на начальной поверхности также появляется пик люминесценции в области 515 нм из-за осаждения наночастиц золота в процессе лазерной абляции мишени, а также наличия нанометровых неоднородностей. В пятой главе исследовано образование двумерных однородных массивов наноструктур на поверхности вольфрама и кремния при их лазерной абляции в этаноле с использованием метода двойной экспозиции. Этот метод состоит вдвух последовательных лазерных экспозициях мишени в жидкости. После первой экспозиции на подложке образуются ППС с самоорганизующимися наноструктурами, вторая экспозиция проводитсяс такими же лазерными параметрами после поворота образца на 90 градусов. Поскольку ориентация ППС перпендикулярна плоскости поляризации падающего излучения (в случае линейно поляризации лазерного излучения), то в конечном итоге на поверхности образца формируется система взаимно-перпендикулярных ППС, размер которых определяется длиной волны лазерного излучения и показателем преломления окружающей жидкости. При этом также формируется массив наноструктур в местах взаимного пересечения ППС. В этом случае наноструктуры уже не являются самоорганизующимися, поскольку их размер определяется размером области пересечения ППС (граничными условиями). Изменяя такие параметры, как длина волны и показатель преломления жидкости (при нормальном падении лазерного излучения), размер наноструктур можно контролировать. Установлено, что плотность наноструктур на кремнии при его лазерной абляции в этаноле с использованием метода двойной экспозиции возрастает с увеличением плотности энергии.При этом распределение наноструктур по размерам заметно сужается, максимум распределения смещается в область меньших размеров до 120 нм. Таким 13 образом, при увеличении плотности энергии заметен существенный рост плотности структур. Структуры становятся более однородными и монодисперсными. Вид поверхности вольфрама после двукратного воздействия на него коротких лазерных импульсов в этаноле с поворотом образца на 90° между экспозициями представлен на рис. 3. Рис. 3. Морфология поверхности вольфрама, после его лазерной абляции в этаноле с использованием метода двойной экспозиции. Ti:sapphire лазер, длительность импульса 180 фс, длина волны излучения 800 нм, частота повторения импульсов 1 кГц. Как видно, поверхность расчерчена взаимно-перпендикулярными ППС, результатом чего является система квадратов, размер которых составляет 150-250 нм, при этом в центре квадратов расположены самоорганизующиеся наноструктуры, размер которых составляет 100200 нм. По оценкам, плотность структур составляет 8×108 см-2. Как видно, использование метода двойной экспозиции при лазерной абляции твердых тел в жидкости ведет к формированию хорошо упорядоченного однородного монодисперсного массива наноструктур, размер которых определяется размерами взаимного пересечения ППС и, как следствие,периодом ППС. В шестой главе рассмотрены различные применения поверхностей, наноструктурированных с помощью лазерной абляции твердых тел в жидкостях. В частности, исследованы оптические и полевые эффекты наноструктурированных подложек. 14 Экспериментально показано, что наноструктурированная подложка никеля, декорированная золотом, демонстрирует эффект ГКР с фактором усиления порядка 108. Такого рода поверхности могут быть использованы в качестве сенсоров мониторинга окружающей среды и биомолекул, а их производство значительно дешевле по сравнению с сенсорами, основанными на благородных металлах. Другим применением, рассмотренным в диссертационной работе, является наноструктурирование вольфрамовых катодов, использующихся в рентгеновских медицинских трубках (ЗАО «Рентгенпром», г. Протвино Московской обл.), при их лазерной абляции в этаноле с использованием метода двойной экспозиции. Если внешний электрический потенциал приложен к наноструктурированной металлической поверхности, наноструктуры с малым радиусом кривизны, то электрическое поле вблизи них намного выше по сравнению с начальной поверхностью - так называемый эффект громоотвода. Другими словами, потенциальный барьер для эмиссии электронов вблизи таких наноструктур ниже и, как следствие, эффективная работа выхода наноструктурированной подложки может быть заметно ниже по сравнению с исходной поверхностью. Экспериментально показано, что наноструктурирование поверхности вольфрамового катода методом двойной экспозиции при помощи коротких лазерных импульсов приводит к уменьшению работы выхода на 0,3 эВ, что позволяет существенно снизить рабочую температуру эмиттеров и продлить их срок службы. В этой же главе представлены предварительные результаты по исследованию трибологических свойств наноструктурированных поверхностей, а также результаты по лазерному наноструктурированию медицинского сплава титана с помощью абляции в жидкости. В Заключении приведены основные результаты работы. 3. Основные результаты работы 1. Впервые экспериментально реализованы самоорганизующиеся наноструктуры на поверхности тантала, титана, вольфрама, кремния, молибдены, золота, серебра и никеля при воздействии на них в жидкостях лазерных импульсов пико- и фемтосекундного диапазона. 2. Изолированные полусферические структуры, переходящие при более длинных импульсах в правильные сферы, является типичной морфологией наноструктурированных поверхностей. 3. Средний поперечный размер самоорганизующихся наноструктур зависит от длительности импульса, плотности энергии лазерного излучения и числа импульсов. Распределение структур по размерам, как правило, является бимодальным. Плотность структур, а также их морфология зависят от числа лазерных импульсов и задержки между импульсами. 4. Установлено, что максимум плотности наноструктур на поверхности вольфрама и кремния достигается при задержке между двумя фемтосекундными лазерными импульсами, равной 1 пс. 15 Положение этого пика, по все видимости, соответствует времени электрон – фононной релаксации электронов, и хорошо согласуется с теоретическими данными. 5. Показано, что образование наноструктур сопровождается изменением спектра поглощения подложки (Au. Ag, Ti) при его абляции короткими лазерными импульсами. Происходит смещение основного пика поглощения в область меньших частот, а также возникает новый максимум, соответствующий плазмонным колебаниям электронов в наноструктурах. 6. Исследована люминесценция наноструктурированной подложки золота. Показано, что возбуждение коллективных колебаний электронов в наноструктурах с помощью излучения аргонового лазера приводит к появлению пика в спектре люминесценции в области 515 нм, что соответствует плазмонным колебания электронов. 7. Разработан метод получения монодисперсных периодических наноструктур при помощи двойной лазерной экспозиции твердых тел в жидкостях. 8. Показано, что эффективная работа выхода наноструктурированного W катода на 0.3 eV меньше по сравнению с исходной поверхностью. Это может существенно увеличить срок службы такого катода в приборах и изделиях. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Е. В. Бармина, В. Зорба, К. Фотакис, Э. Стратакис, А. В. Симакин, Г. А. Шафеев, М. Барбероглоу, «Образование наноструктур на поверхности тантала при его лазерной абляции в воде», Квантовая электроника, 39 (2009), стр. 89-93. 2. Е. В. Бармина, С. Лау Труонг, Ф. Бозон-Вердюра, Ж. Леви, А. В. Симакин, Г. А. Шафеев, «Генерация наноструктур на поверхности никеля при лазерной абляции в жидкости и их активность в гигантском комбинационном рассеянии», Квантовая электроника, 40(2010), стр. 346-348. 3. E. V.Barmina, M. Barberoglou, V. Zorba, E. Stratakis, C. Fotakis, A. V. Simakin, G. A. Shafeev, «Laser control of the properties of nanostructures on Ta and Ni under their ablation in liquids»Journal of optoelectronics and advanced materials, 12(2010), p. 496. 4. Е. В. Бармина, Э. Стратакис, К. Фотакис, Г. А. Шафеев, «Генерация наноструктур при лазерной абляции металлов в жидкостях: новые результаты», Квантовая электроника, 40(2010), стр. 1012-1020. 5. E. V. Barmina, E. Stratakis, C. Fotakis, G. A. Shafeev, «Laser-assisted micro- and nanostructuring of solids», in Ultrafast Laser Micro- and Nanoprocessing, ed. K. Sugioka, Singapore: Pan Stanford Publishing, 2013, 1st edition (Монография). 16 6. E. V. Barmina, E. Stratakis, M. Barberoglou, C. Fotakis, V. N. Stolyarov, I. N. Stolyarov, G. A. Shafeev, «Laser-assisted nanostructuring of Tungsten in liquid environment», Applied Surface Science,258(2012), pp. 5898–5902. 7. E. V. Barmina, C. Fotakis, E. Stratakis, V. N. Stolyarov, I. N. Stolyarov, G.A. Shafeev, A. A. Serkov, «Nano-textured W shows improvement of thermionic emission properties», Applied Physics A,106 (2012), pp. 1-4. Цитируемая в автореферате литература: 1. M. J. Birnbaum, Appl. Phys., 36(1965), p. 3688. 2. В. П. Аксенов, Б. Г. Журкин, ДАН СССР, 265(1982), с. 1365. 3. А. М. Бонч-Бруевич, М. К. Коченгина., М. H Либенсон., С. Д. Пудков, В. В. Трубаев, Изв. АН СССР. Сер. физ., 46(1982), с. 1186. 4. А. М. Прохоров, В. А Сычугов, А. В Тищенко. А. А. Хакимов, Письма ЖТФ, 8(1982), с. 1409. 5. P. M. Fauсhet, A. E. Siegman, Appl. Phys. Ser.A, 32(1983), p. 135. 6. N. R. Isenor, Appl. Phys. Lett., 31(1977), p. 148. 7. Г. Г. Громов, В. Б. Уфимцев,Письма ЖТФ, т. 9 (1983), с. 580. 8. M. Oron, G. Sorensen, Appl. Phys. Lett., 35(1979), p. 782. 9. П. В. Базакуца, А. М. Прохоров, В. А. Сычугов, А. В. Тищенко,Письма ЖТФ, 9(1983), с. 705. 10. В. В. Баженов, А. М. Бонч-Бруевич, М. Н. Либенсон, В. С. Макин, С. Д. Пудков, В. В. Трубаев, Письма ЖТФ, 9(1983), с. 932. 11. А. К. Jain, V. N.Кulkarni, D. К. Sооd, J. C. Uppa, J. Appl. Phys., 52(1981), p. 4882. 12. В. Н. Анисимов, В. Ю. Баранов, Л. А. Большов, А. М. Дыхне, Д. Д. Малюта, В. Д. Письменный, А. Ю. Себрант, М. А. Степанова, Поверхность, 7(1983), с. 138. 13. С. А. Ахманов, В. И. Емельянов, Н. И. Коротеев, В. Н. Семиногов, УФН, 147(1985), с. 675. 14. J. F.Yоung, J. S.Preston, H. M. Van Driel, J. E. Sipe, Phys. Rev. Ser. B, 27(1983), p. 1141. 15. Q. Z. Zhao, S. Malzer, L. J. Wang, Opt. Lett., 32(13) (2007), p. 1932–1934. 16. T. Tomita, K. Kinoshita, S. Matsuo, S. Hashimoto, Appl. Phys. Lett., 90(2007) p. 153115. 17. A. M. Ozkan, A. P. Malshe, T. A. Railkar, W. D. Brown, M. D. Shirk, P. A. Molian, Appl.Phys. Lett., 75(23) (1999) 3716–3718. 18. A. Borowiec, H.K. Haugen, Appl. Phys. Lett., 82(2003), p. 4462. 19. R. Le Harzic, H. Schuck, D. Sauer, T. Anhut, I. Riemann, K. Kwnig, Opt. Express, 13(17) (2005), p. 6651–6656. 20. R. Buividas, L. Rosa, R. Sliupas, T. Kudrius, G. Slekys, V. Datsyuk, S. Juodkazis, Nanotechnology, 22(5) (2011), p. 055304. 17 21. Е. В. Голосов, A. A. Ионин, Ю. Р. Колобов, С. И. Кудряшов, А. Е. Лигачев, Ю. Н. Новоселов, Л. В. Селезнев, Д. В. Синицын, ЖЭТФ,140(2011), c. 21-35. 22. J. J. Taylor, I. Proc. Roy Soc., J. Lond Ser. A, 201(1950), p, 192. 23. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, «Гидродинамика», М., Наука, 1988 24. R. D. Richtmyer, Communs Pure and Appl. Math., 13(1960), pp. 297-319. 25. Е. Е. Мешков, Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, 5 (1969), с. 151-158. 26. А. Б. Брайловский, И. А. Дорофеев, А. Б. Езерский, В. А. Ермаков, В. И. Лучин, В. Е. Семенов, ЖТФ, 61(1991), с. 129-138. 27. A. B. Brailovsky, S. V. Gaponov, V. I. Luchin, Appl. Phys., 61 (1995), pp. 81-86. 28. Е.В. Заведеев, А. В. Петровская, А. В. Симакин, Г. А. Шафеев, Квантовая электроника, 36(10) (2006), c. 978-980 . 29. S. Lau Truong, G. Levi, F. Bozon-Verduraz, A. V. Petrovskaya, A. V. Simakin, and G. A. Shafeev, Appl.Phys. A89(2) (2007), p. 373 – 376. 30. S. Lau Truong, G. Levi, F. Bozon-Verduraz, A. V. Petrovskaya, A. V. Simakin, G. A. Shafeev, Applied Surface Science, 254(2007), p. 1236–1239. 31. E. Stratakis, V. Zorba, M. Barberoglou, C. Fotakis, and G. A. Shafeev, Applied Surface Science, 255(2009), p. 5346–5350. 32. E Stratakis, V Zorba, M Barberoglou, C Fotakis, and G. A Shafeev,Nanotechnology,20(2009), p. 105303-7. 33. Е. В. Голосов, В. И. Емельянов, А. А. Ионин, Ю. Р. Колобов, С. И. Кудряшов, А. Е. Лигачев, Ю. Н. Новоселов, Л. В. Селезнев, Д.В. Синицин, Письма в ЖЭТФ, 90(2009), с. 116-120. 34. J. Gersten, A. Nitzan, J. Chem. Phys., 73(1980), pp. 3023-3037. 35. О. А. Акципетров, И. М. Баранова, Е. Д. Мишина, А. В. Петухов, Письма в ЖЭТФ, 40(1984), с. 240.
