В. С. МАКИН, Ю. И. ПЕСТОВ, В. Е. ПРИВАЛОВ1

НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем,
Сосновый Бор, Ленинградская обл.

1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

МИКРОКОНУСЫ НА ПОВЕРХНОСТИ СВЕРХТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
ПРИ МНОГОИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

Изучено формирование единичных острийных выступов рельефа на поверхности сверхтугоплавких металлов под действием серии импульсов лазерного излучения субмиллисекундной длительности. Экспериментально установлено, что рост острий с ростом числа импульсов происходит с насыщением. Предложена качественная модель процесса. Обнаружена тонкая структура рельефа поверхности вольфрама в виде «зерен» с характерным латеральным размером ~200 нм, а также линейных решеточных структур с характерным латеральным масштабом ~1,2 мкм.

Изучение лазерно-управляемого формирования микро - и наноструктур на поверхностях конденсированных сред представляет существенный интерес для лазерной технологии обработки материалов. Исследовано формирование единичных конических выступов микрорельефа на поверхности тантала и других сверхтугоплавких металлов при многократном облучении в окислительной атмосфере воздуха импульсами излучения неодимового лазера (λ=1,06 мкм, t=0,1 мс) при диаметре пятна облучения ~100 мкм. Геометрия микроконусов изучена с использованием оптического и зондового микроскопов. Конусообразные выступы рельефа имеют субмикронный радиус кривизны вершины. Высота сформированного острия зависит от плотности энергии лазерного излучения, размера зоны облучения, состава газовой атмосферы, количества импульсов лазерного излучения, подаваемых в облучаемую зону. Из рис. 1 видно, что в конкретных экспериментальных условиях за импульс лазерного излучения на тантале формируется коническое острие высотой 10 микрон, после чего начинается сравнительно медленный линейный по N рост высоты, причем тангенс угла наклона зависит от плотности энергии излучения Q. При N~16 наблюдается насыщение роста острия, завершающееся при N20. Видно, что многоимпульсное воздействие позволяет существенно, в 3 раза увеличить конечную максимальную высоту острия (при данном Q).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рис. 1. Зависимость высоты H микроконуса, сформированного на тантале,
от количества импульсов облучения N при D=110 мкм и Q=200 Дж/см2

Обсуждается механизм формирования микроконуса при многократном импульсном облучении поверхности металла на основе построенной ранее модели формирования конусообразного выступа при кристаллизации ванны расплава с дном в виде усеченного конуса, в которой учитывается изменение плотности материала при кристаллизации (плавлении) и неполное смачивание расплавом своей твердой фазы [1].

Изучена тонкая структура рельефа лазерно-индуцированного микроконуса на поверхности металла с помощью атомно-силового микроскопа. На рис. 2 и 3 представлены различные типы рельефа, обнаруженные на поверхности микроконусов, сформированных при облучении поверхности вольфрама в воздухе. Рельеф первого типа, приведенный на рис. 2а, представляет собой поверхность микроконуса из непредельного окисла вольфрама WO2, под слоем которого находится собственно металлический вольфрамовый микроконус [2]. Структуры рельефа в виде «зерен» на рис. 2а предположительно сформированы при конденсации из паровой фазы. На рис. 2б приведен профиль поверхности этого нанорельефа, имеющий характерную пространственную частоту порядка 200 нм. Структуры рельефа «линейного» типа, показанные на рис. 3а, сформировались в процессе кристаллизации металла из ванны расплава. Измерения показывают, что типичная высота линейного рельефа составляет порядка 10 нм, см. рис. 3б. Использованный подход позволяет получать микроконусы на поверхности группы сверхтугоплавких металлов и некоторых тугоплавких.

Микроконусы с малым радиусом кривизны вершины из сверхтугоплавких металлов находят применение в полевой эмиссионной электронике, сенсорных устройствах различного типа, в зондовой микроскопии, биомедицине и др. Таким образом, использование многоимпульсного лазерного излучения позволяет существенно увеличить максимальную высоту сформированного микроконуса по сравнению с однократным импульсным воздействием.

а)

а)

б)

б)

Рис.2. Структура рельефа «зернистого» типа на поверхности микроконуса, сформированного на поверхности вольфрама при его облучении импульсом лазера в атмосфере воздуха (а); профиль структуры рельефа (б)

Рис. 3. Структура рельефа «линейного» типа на поверхности микроконуса, сформированного на поверхности вольфрама при его облучении импульсами лазерного излучения в атмосфере воздуха (а); профиль структуры рельефа (б)

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (), контракт №16.740.11.0463.

Список литературы

1. Пестов Ю. И., Макин -индуцированное формирование конусообразных выступов на поверхности сверхтугоплавких металлов. Оптический журнал. 2008. №6. С.34-42.

2. Пестов Ю. И., Макин В. С., Привалов  микроконусов на поверхности вольфрама и других сверхтугоплавких металлов под действием излучения лазера. Сб. докл. 21 межд. конф. «Лазеры. Измерения. Информация». 2011. Т.3. С.369-381.