Модифицирование поверхности металлов и осаждение тонкопленочных покрытий импульсными лазерными пучками в среде повышенного давления

• Автор: Смирнов, Алексей Львович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ЛАЗЕРНОМ ЛЕГИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ И ОСАЖДЕНИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА (Обзор литературы. Постановка задачи исследований.)
1.1. Поверхностное легирование импульсными лазерными пучками: транспортные процессы в поверхностных слоях, структурообра-зование мегастабильных сплавов, модели процесса
1.2. Импульсное лазерное испарение материалов: формирование, разлет и конденсация факела
1.3. Постановка з адачи исследований
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНО-ИНИЦИИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ И МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИМИ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Экспериментальная установка для исследования динамики лазерного факела методом импульсной голографической интерферометрии
2.2. Экспериментальная методика лазерного легирования материалов облучением через прозрачные слои и оптико-акустический мониторинг лазерно-инициированных процессов
2.3. Осаждение покрытий из лазерного факела в газах
2.4. Методы исследования модифицированных материалов и осажденных покрытий
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА И МОДИФИЦИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ГАЗАХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
3.1. Приповерхностные процессы в газе на ранней стадии
импульсного лазерного воздействия на мишень
3.2.Формирование автоструктуры в области пятна фокусировки

лазерного излучения
3.3. Испарение материала мишени и формирование эрозионного факела
3.4. Формирование оптического пробоя при лазерной обработке материалов в камере повышенного давления
3.5.Особенности поверхностной обработки металлов при импульсном
лазерном облучении в газах повышенного давления
Глава 4.0СОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНО-ИНИЦИИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ЛЕГИРОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОЗРАЧНЫХ ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ
4.1. Глубинное распределение элементов и формирование топографии поверхности при наносекундном лазерном легировании
4.2. Оптико-акустический мониторинг импульсного лазерного воздействия на систему пленка-подложка
4.3. Микроструктура поверхностных сплавов
4.4. Особенности транспортных процессов и структурообразования метастабильных сплавов при лазерном легировании с использованием прозрачного покрытия
Глава. 5. ДИНАМИКА КОНДЕНСАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА И
ФОРМИРОВАНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ
ПОКРЫТИЙ В ГАЗАХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
5.1. Динамика фронта конденсации при лазерном восстановлении
и окислении металлов в газах повышенного давления
5.2. Структура слоев, формирующихся при осаждении из лазерного
факела при восстановлении и окислении материалов
5.3. Импульсное лазерное осаждение наноструктурированных покрытий Мо8ех в буферном газе
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии, среди которых особое место занимает лазерная технология, стали в последнее время высокоэффективными средствами производства [1, 2]. Одно и перспективных направлений лазерной технологии связано с разработкой новых процессов модифицирования поверхности материалов и синтеза новых материалов. Следует выделить такие важные процессы как поверхностное легирование и осаждение тонкопленочных покрытий на основе известных и вновь синтезируемых соединений [3, 4].
При поверхностном лазерном легировании в поверхностный слой материала вводятся атомы требуемого вещества, которые изменяют структурное и химическое состояние этого слоя. Для легирования применяют такие методики, как облучение поверхности материала, на которую предварительно наносится слой внедряемого вещества [5], а также облучение поверхности в газе повышенного давления [6] или под слоем жидкости [7]. Во всех этих случаях при воздействии лазерного излучения на материал развивается комплекс сложных физических и химических процессов, которые и определяют эффективность поверхностного модифицирования. Для широкого внедрения такой технологии в реальное производство требуется всестороннее исследование картины таких процессов, установление основных механизмов, обуславливающих изменение свойств материалов. Проведение
фундаментальных физических исследований взаимодействия лазерных пучков с материалами в необычных условиях необходимо для разработки новых оригинальных процессов модифицирования, которые обеспечат получение материалов с улучшенными свойствами.
Лазерное легирование реализуется через инициирование фазовых превращений (плавление, кипение, плазмообразование), которые развиваются в приповерхностной зоне, которая захватывает как поверхностный слой материала, так и окружающую его среду (воздух, газ, жидкости). Построение целостной картины лазерного модифицирования возможно только при проведении комплексного исследования процессов, протекающих в таких слоях.

Первая система достаточно интенсивно исследовалась рядом авторов [18, 26] для изучения особенностей наносекундного лазерного легирования традиционным способом. Элементы Аи апй N1 близки по теплофизическим свойствам и полностью смешиваются в жидкой фазе. Однако золото характеризуется высоким коэффициентом отражения излучения с А=1,06 мкм от твердой фазы (/?т=0,98). Поглощение резко возрастает при плавлении золота (/?ж=0,5), что, по мнению авторов [18], приводит к взрывному вскипанию золота и существенным потерям этого элемента при проведении легирования в системе пленка Аи - подложка N1. Для предотвращения данных процессов авторы [18] наносили дополнительную пленку из никеля, который обладает более низким коэффициентом отражения излучения с 1=1,06 мкм.
Золото было выбрано по двум причинам. Во-первых - из-за относительной простоты работы с этим элементом вследствие его высокой химической инертности в окислительной среде. Во-вторых, распыление золота наносекундными лазерными импульсами достаточно глубоко исследуется в последнее время [25, 28]. Окисление поверхности может оказывать
существенное влияние на развитие процессов взаимодействия лазерного излучения с материалом в кислородосодержащей среде. Однако, результаты исследований [59] эффективности окисления металлов при облучении в жидкой среде позволяют предположить, что при низкой энергии фотонов с длиной волны 1,06 мкм и слабой химической активности такого металла, как золото, фотохимические процессы не должны оказывать существенного влияния на лазерное легирование под слоем воды в системе Аи-№.
Для исследований системы Аи-№ было подготовлено два типа никелевых подложек (99,99% чистоты). В одном случае подложки представляли собой диски диаметром 10 мм и толщиной 1-2 мм, в другом -диски толщиной до 0,1 мм и диаметром 3 мм. Подложки полировали алмазной пастой до зеркального блеска и промывали в спирте. Затем в вакууме (10'4 Па) на никелевые подложки осаждали тонкие пленки золота традиционным