Lazerli ablasyon

Lazer ablasyoni (inglizcha: laser ablation) — lazer impulsi bilan sirtdan moddani olib tashlash usuli.. Lazerning kam quvvatida, modda erkin molekulalar, atomlar va ionlar shaklida bugʻlanadi yoki sublimatsiyalanadi, yaʼni nurlangan sirt ustida zaif plazma hosil boʻladi, odatda bu holda toʻq, porlamaydigan (bu rejim koʻpincha lazer desorbsiyasi deb ataladi). Lazer impulsining quvvati zichligi ablasyon rejimi chegarasidan oshib ketganda, mikroportlash natijasida, modda yuzasida krater hosil boʻlib, uchuvchi qattiq va suyuq zarralar (aerozol) bilan birga, porlayotgan plazma paydo boʻladi. Lazer ablasyon rejimi baʼzan lazer uchqunlari deb ham ataladi (analitik spektrometriyadagi anʼanaviy elektr uchquniga oʻxshash, „ uchqun chiqishi“).

Lazer ablasyonu analitik kimyo va geokimyoda moddalarni toʻgʻridan-toʻgʻri mahalliy va qatlamli tahlil qilish uchun ishlatiladi (toʻgʻridan-toʻgʻri namuna tayyorlamasdan). Lazer ablasyonu paytida modda yuzasining kichik bir qismi plazma holatiga oʻtkaziladi va keyin u, masalan, emissiya yoki massa spektrometriya usullari bilan tahlil qilinadi. Qattiq namunalarni tahlil qilish uchun mos usullar lazerli uchqun emissiya spektrometriyasi (LIES; eng. LIBS yoki LIPS) va lazer uchqunli massa spektrometriyasi (LIMS) hisoblanadi. Soʻnggi paytlarda LA-ICP-MS usuli (induktiv bogʻlangan plazma va lazer ablasyonu bilan massa spektrometriyasi) jadal rivojlanmoqda, bunda tahlil lazer ablasyonu (aerozol) mahsulotlarini induktiv bogʻlangan plazmaga oʻtkazish va keyinchalik aniqlash orqali amalga oshiriladi. massa spektrometridagi erkin ionlarning. Sanab oʻtilgan usullar analitik atom spektrometriya usullari guruhiga va elementar tahlil usullarining umumiy toʻplamiga kiradi (qarang. Analitik kimyo).

Lazer ablasyon usuli ikkala element va izotoplarning konsentratsiyasini aniqlash uchun ishlatiladi. U ion probi bilan raqobatlashadi. Ikkinchisi ancha kichikroq tahlil qilinadigan hajmni talab qiladi, lekin odatda ancha qimmatroq.

Lazer ablasyonu sirtni nozik texnik ishlov berish va nanotexnologiya uchun ham qoʻllanadi (masalan, bir devorli uglerod nanotubalarini sintez qilishda).

Terminologiya

Lazerli ablasyon atamasi ilmiy adabiyotlarda nozik plyonkalar olish, lazer namunalarini olish va materiallarni qayta ishlash kabi sohalarda keng qoʻllanadi. Jismoniy adabiyotlarda ablasyon (lat. ablatio „tortib olish“) murakkab fizik-kimyoviy jarayonlar majmuini anglatadi, natijada modda fazalar interfeysidan chiqariladi. Lotin ildizining maʼnosiga koʻra, ushbu atama moddaning har qanday olib tashlanishini tavsiflash uchun ishlatilishi mumkin. Shu munosabat bilan, atama ostida lazer ablasyonu keng maʼnoda lazer nurlanishining taʼsiri ostida moddani olib tashlash jarayoni, shu jumladan bugʻlangan materialni ham, kimyoviy etchingning uchuvchan mahsulotlarini ham olib tashlash tushuniladi.

Adabiyotda ovulyatsiya kimyoviy bogʻlanishlarning yoʻq qilinishi va yorugʻlik taʼsirida erkin molekulalar, atomlar va ionlarning paydo boʻlishi natijasida yuzaga keladigan moddalarni olib tashlash jarayoni tushunilganda atamaning haddan tashqari tor talqinini topish mumkin. Shuni taʼkidlash kerakki, ablasyon atamasi fanlararo boʻlib, adabiyotda lazerlar paydo boʻlishidan ancha oldin paydo boʻlgan. Shunday qilib, u metall namunasiga elektr razryadi, issiq gaz oqimi, plazma taʼsirida moddani olib tashlash jarayonini tavsiflash uchun ishlatilgan. Kosmonavtika va aviatsiyada ablativ himoya atamasi maxsus himoya material qatlamining erishi va bugʻlanishi uchun issiqlikni tanlash orqali fyuzelyaj elementlarining haddan tashqari qizishini samarali kamaytirish usulini anglatadi. Bundan tashqari, shuni taʼkidlash kerakki, bu atama geologiya va glatsiologiyada erish va bugʻlanish natijasida muzlik yoki qor massasining kamayishini bildirish uchun ishlatiladi.

Koʻpgina tadqiqotchilar lazer ablasyon atamasi bilan, lazer nurlanishining modda bilan oʻzaro taʼsiri jarayonini tushunadilar, bunda erish, bugʻlanish yoki darhol sublimatsiya jarayoni sodir boʻlib, bugʻlar va past haroratli plazma hosil boʻladi; odatda, bu jarayonlar boshlangʻich moddaning zarralari va tomchilarining har tomonla uchishi ham kuzatiladi.

Lazer ablasyonining asosiy xarakterli xususiyatlari quyidagilardan iborat:

moddada lazer puls energiyasini toʻgʻridan-toʻgʻri singdirish bilan bogʻliq;
natijada plazma buluti hosil boʻladi;
kondensatsiyalangan va gazsimon (yoki vakuumli) yoki suyuq fazalar orasidagi interfeysda paydo boʻladi;
chegarasi bor.

Usulning afzalliklari

Lazer ablasyonu turli sohalarda qoʻllanadi:

moddani tahlil qilish uchun namuna olish (LIBS, LA ISP OES, LA ICP MS)
qismlarga ishlov berish (mikromashina)
yupqa plyonkalar, shu jumladan yangi materiallar (PLD) ishlab chiqarish

Lazerli bug ' fazasini choʻktirish (LPA yoki PLD — pulsed laser deposition) — bu yuqori energiyali lazer nurlanishiga taʼsir qilish natijasida maqsadli materialning tez erishi va bugʻlanishi, soʻngra vakuumda püskürtülmüş materialni nishondan substratga oʻtkazish va uni choʻktirish jarayoni.

Usulning afzalliklari quyidagilardan iborat:

yuqori choʻkish tezligi (> 10 ¹⁵ atom sm- ² s ⁻¹);
yotqizilgan materialni tez isitish va sovutish (¹⁰¹⁰ K s ⁻¹ gacha), bu metastabil fazalarning shakllanishini taʼminlaydi;
nurlanishning energiya parametrlari va qatlam oʻsishi kinetikasi oʻrtasidagi bevosita bogʻliqlik;
koʻp komponentli maqsadlarni mos bugʻlanish imkoniyati;
yuqori bugʻlanish haroratiga ega boʻlgan koʻp komponentli materialni oʻz ichiga olgan materiallarni etkazib berishning qatʼiy dozasi;
har xil oʻlchamdagi, zaryadlangan va kinetik energiyadagi (10-500 eV) klasterlarga agregatsiya, bu yotqizilgan plyonkaning maʼlum bir tuzilishini olish uchun elektr maydoni yordamida tanlovni amalga oshirishga imkon beradi.

Usulning tavsifi

La\A mexanizmining batafsil tavsifi juda murakkab, mexanizmning oʻzi lazer nurlanishi bilan maqsadli materialni ablasyon jarayonini, yuqori energiyali ionlar va elektronlarni oʻz ichiga olgan plazma mash’alasini ishlab chiqishni va substratdagi qoplamaning kristalli oʻsishini oʻz ichiga oladi. La jarayonini umuman toʻrt bosqichga boʻlish mumkin:

lazer nurlanishining nishon bilan oʻzaro taʼsiri — maqsadli materialni ablatsiya qilish va plazma yaratish;
plazma dinamikasi — uning kengayishi;
materialni substratga qoʻllash;
substrat yuzasida kino oʻsishi.

Ushbu bosqichlarning har biri qoplamaning fizik-mexanik va kimyoviy parametrlari va shuning uchun tibbiy-biologik ishlash xususiyatlari uchun juda muhimdir.

Atomlarni material hajmidan olib tashlash moddaning massasini sirtga bugʻlash orqali amalga oshiriladi. Elektronlar va qoplama ionlarining dastlabki emissiyasi sodir boʻladi, bugʻlanish jarayoni tabiatan koʻpincha termaldir. Ushbu nuqtada lazer nurlanishining kirib borish chuqurligi lazer nurlanishining toʻlqin uzunligiga va nishon materialining sinishi indeksiga, shuningdek, maqsadning gʻovakliligi va morfologiyasiga bogʻliq.

Lazer ablasyonini tadqiq qilish boʻyicha birinchi ishlar 1962 yilda lazerlar paydo boʻlganidan boshlab, amalga oshirilib kelmoqda. Koʻpgina ishlarda 1960-yillarda mikrosaniyali lazer impulslari ishlatilgan. Ushbu tur uchun, kuzatilgan hodisalarni yuqori aniqlik bilan tasvirlaydigan issiqlik modeli yaratildi . Lazer texnologiyasining rivojlanishi 80-yillarning boshlarida, lazer ablasyon ishlarining aksariyati nanosekundlik lazer impulslari yordamida amalga oshirilishi mumkin boʻldi. Keyingi oʻn yillikda pikosekundli lazerli ablasyon tadqiqotlari tobora rivojlanib kelmoqda. Soʻnggi 20 yil ichida femtosekundlik impuls davomiyligi boʻlgan lazerlardan foydalanish keng rivojlanishi kutiladi.

Plazma oqimi tor va normaldan sirtga oldinga yoʻnaltirilgan (jarayonning davomiyligi bir necha oʻnlab pikosekundlar), deyarli tarqalish yoʻq va stokiyometriya buzilmaydi.
Plazma mash’alining kengayishi (jarayonning davomiyligi bir necha oʻn nanosekundlar). Filmning stoxiometriyasi ablasyon moddasining plazma plyusida keyingi taqsimlanishiga bogʻliq boʻlishi mumkin.

Samolyotning texnologik jihatdan muhim parametrlari

Materialni substratga qoʻllashda plyonkalarning oʻsishiga, fizik-mexanik va kimyoviy xususiyatlariga taʼsir koʻrsatadigan la ning asosiy muhim texnologik parametrlarini ajratish mumkin:

lazer parametrlari — energiya zichligi (J / sm2) asosan bogʻliq boʻlgan omillar. Ablativ zarrachalarning energiyasi va tezligi lazer energiyasining zichligiga bogʻliq. Bu, oʻz navbatida, ablasyon materialining ionlashuv darajasini va plyonkaning stexiometriyasini, shuningdek, choʻkma va plyonka oʻsish tezligini aniqlaydi.
sirt harorati — sirt harorati yadro zichligiga katta taʼsir koʻrsatadi (boshlanish vaqtida faza oʻtishning birinchi bosqichi, yangi, barqaror fazaning barqaror oʻsib borayotgan zarrachalarining asosiy sonining shakllanishi). Qoida tariqasida, nukleatsiya zichligi substrat haroratining oshishi bilan kamayadi. Qoplamaning pürüzlülüğü, shuningdek, substratning haroratiga bogʻliq boʻlishi mumkin.
substrat yuzasining holati — qoplamaning yadrolanishi va oʻsishi sirt holatiga bogʻliq: oldindan ishlov berish (kimyoviy ishlov berish, oksid plyonkasi mavjudligi yoki yoʻqligi va boshqalar); d.), morfologiya va sirt pürüzlülüğü, nuqsonlarning mavjudligi.
bosim — yadro zichligi purkash tizimining kamerasidagi ish bosimiga bogʻliq va natijada qoplamaning morfologiyasi va pürüzlülüğü, shuningdek, bosim parametrlari sirt stokiyometriyasiga taʼsir qiladi. Materialni taglikdan kameraga maʼlum lazer va bosim parametrlarida qayta purkash ham mumkin.

Hozirgi vaqtda ion-plazma vakuum texnikasi uchun mos boʻlgan uchta plyonka oʻsish mexanizmi tasvirlangan:

Volmer-Weber mikroblarini oʻstirish mexanizmi : mukammal kristalning atomik silliq yuzlarida amalga oshiriladi, ular Miller indekslari past boʻlgan yuzlardir. Bu holda kino oʻsishi ikki oʻlchovli yoki uch oʻlchovli yadrolarning dastlabki shakllanishi orqali sodir boʻladi, ular keyinchalik substrat yuzasida doimiy plyonkaga aylanadi.
Frank-Van der Merwe qatlamli oʻsish mexanizmi substrat yuzasida qadamlar mavjudligida amalga oshiriladi, uning manbai, xususan, katta Miller indekslari boʻlgan yuzlarning tabiiy pürüzlülüğü. Ushbu yuzlar Miller indekslari past boʻlgan yaqin oʻralgan boʻshliqlar tomonidan tashkil etilgan atom qadamlari toʻplami sifatida ifodalanadi.
Stranski-Krastanov mexanizmi : oraliq oʻsish mexanizmi. Bu shundan iboratki, birinchi navbatda, oʻsish sirtda qatlam-qatlam mexanizmi orqali sodir boʻladi, soʻngra namlash qatlami (bir yoki bir nechta monotomik qatlamlarning qalinligi) hosil boʻlgandan soʻng, orolning oʻsish mexanizmiga oʻtish sodir boʻladi. . Bunday mexanizmni amalga oshirish sharti yotqizilgan materialning panjara konstantalari va substrat materiali oʻrtasidagi sezilarli (bir necha foiz) nomuvofiqlikdir.

Usulning kamchiliklari

Lazerli ablasyon usuli spektrning koʻrinadigan va yaqin IQ mintaqasida lazer nurlanishini kam singdiradigan (turli moddalarning oksidlari) yoki aks ettiruvchi (bir qator metallar) moddalarning plyonkalarini olish bilan bogʻliq muayyan qiyinchiliklarga ega. Usulning muhim kamchiligi-bu nishon materialidan foydalanishning past darajasi, chunki uning intensiv bugʻlanishi fokal nuqta kattaligi (~10 sm) bilan belgilanadigan tor eroziya zonasidan kelib chiqadi.2) va natijada kichik yogʻingarchilik maydoni (~10 sm2). Lazerli püskürtme paytida maqsadli materialning foydali koeffitsienti qiymati 1-2% yoki undan kam. Eroziya zonasida krater hosil boʻlishi va uning chuqurlashishi moddaning fazoviy tarqalish burchagini oʻzgartiradi, buning natijasida plyonkalarning qalinligi va tarkibi jihatidan bir xilligi yomonlashadi, shuningdek nishonni ishdan chiqaradi, bu ayniqsa yuqori chastotali püskürtme uchun xosdir (impulslarning chastotasi taxminan 10 kHz). Plyonkalarning bir xilligini oshirish va nishonning ishlash muddatini koʻpaytirish nishonni tekis parallel skanerlash tezligi tizimidan (~1 m/s) foydalanishni talab qiladi, bu esa qoʻshni fokal dogʻlarning bir-biriga yopishishini oldini oladi va shu sababli nishonning mahalliy qizib ketishi va unda chuqur kraterlar paydo boʻlishi, ammo bu ichki qurilmaning dizayni va püskürtme jarayonini sezilarli darajada murakkablashtiradi.

Shuningdek qarang

Eslatmalar

Havolalar