Нано- и микроструктурирование поверхности металлов и полупроводников в воздухе при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов

• Автор: Макаров, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Основные процессы, протекающие при импульсном лазерном воздействии на

поверхность твердого тела

1.1.1. Длительность лазерного импульса больше характерного времени олектрон-фопоиной релаксации
1.1.2. Длительность лазерного импульса меньше характерного времени электрон-фононной релаксации
1.2. Механизмы формирования поверхностных нано- и микроструктур под действием лазерного излучения
1.2.1. Длительность лазерного импульса больше характерного времени электрон-фоионной релаксации
1.2.2. Длительность лазерного импульса меньше характерного времени электрон-фононной релаксации
1.3 Применение поверхностных нано- и микроструктур, сформированных при помощи УКИ в
одпопучковой схеме
1.4. Сравнение метода формирования лазерно-индуцированных поверхностных нано- и
микроструктур с литографическими методами
Выводы по главе
Глава 2. Техника эксперимента
2.1 Лазерные системы
2.2. Схема проведения экспериментов по лазерной обработке поверхности
2.3. Методы исследования полученных образцов
2.4. Схема для измерения электронной (термо)фотоэмиссии под действием УКИ на поверхность
2.5. Погрешности измерений
2.6. Образцы и материалы для исследований
2.7. Численный метод решения волнового уравнения для электромагнитного поля
Глава 3. Формирование периодических поверхностных структур
3.1. Интерференция НОВ с падающим излучением. Неоднородное вложение энергии
3.1.1. Основные доказательства интерференционного механизма формирования ППС в режиме воздействия УКИ
3.2. Зависимость характера ППС от плотности лазерной энергии
3.2.1 Плотность энергии выше порога формирования ППС
3.2.2. Плотность энергии ниже порога формирования ППС

Выводы по главе
Глава 4. Формирование микрорельефа и комбинированной топологии
4.1. Основные физические процессы при формировании конических микроструктур
4.1.1. Детали эксперимента
4.1.2. Общая характеристика микроструктурировапной поверхности
4.1.3. Периферийные микрокоиусы
4.1.4. Центральные микрокоиусы
4.2. Влияние пространственного профиля распределения плотности энергии в УКИ на формируемую топологию в режиме сканирования
4.2.1 Детали эксперимента
4.2.2. Особенности режима сканирования лазерным пучком поверхности
4.2.3. Управление топологией и химическим составом поверхности в режиме сканирования путем изменения пространственной формы лазерного пучка УКИ
Выводы по Главе
Глава 5. Формирование поверхностных наноструктур вследствие фокусировки интенсивных

5.1 Детали эксперимента
5.2. Формирование поверхностных металлических микроуглублений
5.3. Теоретическая зависимость диэлектрической проницаемости алюминия от плотности энергии УКИ
5.4. Возбуждение и фокусировка интенсивных ПЭВ
5.5. Формирование наноострий и нанократеров внутри кольцевых поверхностных
м и кроу глубл ен и й
5.6. Усиление локального электромагнитного поля и (термо)фотоэмиссип электронов при
помощи наноострий в кольцевых микроуглублениях в режиме интенсивного воздействия

Выводы по главе
Глава 6. Применение поверхностных нано- и микроструктур, сформированных под действием УКИ на металлах и полупроводниках
6.1. Цветовое окрашивание различных материалов
6.2. Просветление поверхности полупроводника в ИК диапазоне
6.3. Детектирование сверхмалой концентрации вещества на металлической поверхности
6.4. Периодическая химическая модификация поверхности под действием УКИ
Заключение по главе
7. Заключение
Список цитируемой литературы
Список статей автора по теме диссертационной работы
Терминология и используемые сокращения Благодарности

зависимость постоянных оптических свойств облученной поверхности различных металлов от режимов воздействия на них УКИ. Показано, что за счет формирования разулорядоченной наноструктуры, удается либо увеличить коэффициент поглощения вплоть до 100% - черный окрас, либо придать поверхности металла желтоватый оттенок [Vorobyev 2008, Заведеев 2006]. При помощи наносекундных лазерных импульсов можно достигать довольно сильного зачернения поверхности только путем записи микроструктур [Zuev 2011]
В том случае, когда период ППС значительно меньше длины волны падающего слабоинтенсивного света, при определенных параметрах профиля ППС происходит эффект просветления поверхности [Raguin 1993]. В работе [Корольков 2011] продемонстрировано просветление поверхности полимера путем репликации горячим тиснением от никелевого штампа с записанной на нем тем же способом ППС.
Развитая поверхность вольфрамовой нити после записи на ней ППС, покрытых разулорядоченной наношероховатостью, способствовала увеличению яркости ламп накаливания [Корольков 2011]. Подобный тип ППС с наношероховатостыо на поверхности платины (Pt) способствовал усилению фотоэмиссии электронов, возбужденных при помощи УКИ, на порядок [Hwang 2009]. А ППС с развитым нанорельефом на вольфрамовых катодах в электронных трубках приводит к их большей долговечности и уменьшению эффективной работы выхода до 8 % [Barmina 2012].
Отдельный интерес для задачи детектирования сверхмалых концентраций органических соединений представляет создание наноструктурированых подложек, демонстрирующих гигантское комбинационное рассеяние (ГКР). Показано, что на золотой подложке с лазерно-индуцированными в жидкости поверхностными разупорядоченными наноструктурами наблюдается эффект ГКР от осажденных органических соединений с фактором усиления порядка 104 [Truong 2007].
В силу того, что микроструктуры на поверхности металлов и полупроводников, сформированные под действием УКИ в режиме сканирования, демонстрируют высокую поглощательную способность, возможно их применение как для создания высокочувствительных кремниевых ИК-фотодетекторов («черный кремний») [Crouch 2004], так и для использования в солнечных батареях [Halbvvax 2008]). Формирование ППС поверх микроконусов - комбинированной топологии - на поверхности медицинских сплавов открывает возможности использования фемтосекундного лазерного структурирования поверхности для повышения биосовместимости медицинских имплантов [Ionin 2013 а], а также задач микробиологии [Truong 2010]