Автореферат (Теплофизические процессы на поверхностях функциональных материалов при фемтосекундном лазерном воздействии)

На правах рукописиРОМАШЕВСКИЙ СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТЯХФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОМЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016----------------------------------------------------------------------------------------------------2РаботавыполненагосударственногонакафедребюджетногонизкихтемпературобразовательногоФедеральногоучреждениявысшегообразования «Национальный исследовательский университет «МЭИ>> .Научный руководитель:доктор технических наук, профессорДмитриев Александр СергеевичОфициальные оппоненты:Хвесюк Владимир Иванович,доктор технических наук, профессор,профессор кафедры теплофизикиФГБОУ ВПО «Московский государственныйтехнический университет им. Н.Э.

Баумана»Афонии Сергей Юрьевич,кандидат технических наук, старший научныйсотрудник АО «Ордена Ленина Научно­исследовательский и конструкторский институтэнерготехники имени Н.А. Доллежаля»(НИКИЭТ)Ведущая организация:ФГБУН «Институт теплофизикиим. С.С. Кутателадзе Сибирского отделенияРоссийской академии наую>Защита диссертации состоитсядиссертационного совета Дадресу:111250,17 февраля 2017 года в 10:00 на заседании212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ>> пог. Москва, ул.

Красноказарменная, д.17, корп. Т, кафедраИнженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-209.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и насайте ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»Автореферат разосланwww.mpei.ru.«_» ноября 2016года.Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения,просим выслать по адресу:111250,г. Москва, ул.

Красноказарменная, д.14,Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».Ученый секретарьдиссертационного совета Дк.т.н.212.157.043ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияВ последние годы большой научный и практический интерес вызываютфункциональные энергетические поверхности, модифицированные подопределенные технологические задачи. Особенно такой интерес имеется прирешении задач, связанных с разработкой энергоэффективных теплообменныхповерхностей в тепловой и атомной энергетике, слаботочной и сильноточнойэлектронике и оптоэлектронике.

Важным направлением также являетсясоздание многофункциональных поверхностей и материалов для солнечнойэнергетики и современных биомедицинских технологий. Актуальностьданной работы состоит в разработке перспективных технологий создания имодифицирования многофункциональных поверхностей для решениясовременных задач энергетики и микроэлектроники.Морфология поверхности и ее физико-химические свойства являютсяключевыми факторами, влияющими на многие процессы, происходящие награнице раздела фаз (интерфейсе), включая смачивание и растекание,испарение и кипение рабочих жидкостей.

Среди различных способовмодификации поверхностей в последнее время большое распространениеполучил способ воздействия на поверхности фемтосекундными лазернымиимпульсами (ФЛИ).Эффективность практического использования ФЛИ обусловленаисключительно короткой длительностью импульса (5—500 фс, 1 фс = 10-15 с),высокой пиковой мощностью в импульсе (до 1015 Вт), а при его фокусировке– высокой интенсивностью лазерного излучения (1011—1022 Вт/см2).Предельные параметры ФЛИ активно используются для решения различныхфундаментальных и прикладных задач, однако особое место использованияФЛИ отведено технологической области, связанной с прецизионноймикрообработкой, а также нано- и микроструктурированием твердотельныхматериалов.

Важными достижениями в этой сфере стало создание новогокласса мультифункциональных поверхностей для оптимизации процессовгенерации и передачи энергии, что особенно актуально для солнечной,тепловой и атомной энергетики.За последние несколько лет фемтосекундная лазерная поверхностнаяобработка (ФЛПО) твердотельных материалов зарекомендовала себя какэффективная, прецизионная и высокопроизводительная технология (до 500м/с) создания огромного разнообразия модифицированных поверхностей.Для модифицирования поверхности – создания различного класса нано- имикроструктур, а также избирательного удаления слоев материала, нетребуется специальных масок и особых помещений («чистых комнат»).Кроме того, технология ФЛПО практически индифферентна к типуобрабатываемого материала – обрабатывать можно практические любыематериалы, включая металлы, полупроводники, диэлектрики и различные их4сплавы, в числе которых как массивные материалы, так и многослойныетонкопленочные структуры (толщина слоев 5–100 нм).В этой работе фемтосекундные лазерные системы были задействованыдля обработки и модификации различных материалов в целях созданияфункциональных поверхностей с новыми термогидродинамическимисвойствами применительно к задачам энергетики и электроники,исследования процессов модификации массивных и тонкопленочныхматериалов, а также исследования возможности создания в кристаллекремния сквозных микроканалов, важных в проблемах охлаждениямикроэлектроники и других энергетических применениях.

Кроме того, привоздействии интенсивных потоков энергии лазерного излучения практическина всех стадиях модификации поверхностей происходят теплофизическиеявления – нагрев вещества, его плавление, испарение, абляция (удаление),затем охлаждение – аморфизация и рекристаллизация расплава. При этомпроцессумодификацииповерхностейсопутствуютсложныетермогидродинамические процессы, среди которых движение расплава собразованием сложных гидродинамических структур и характерныхбортиков, процесс абляции (разлета вещества) с образованием корональныхвыбросов расплава, структурированных областей и формирование новойморфологии поверхности.

Помимо этого, сами модифицированныеповерхности после обработки ФЛИ обладают важными теплофизическимисвойствами – управляемое смачивание и растекание, особенности протеканияна них процессов конденсации, испарения и кипения. В связи с этимисследование именно теплофизических процессов при фемтосекунднойобработке поверхностей представляет собой важную научную и прикладнуюзадачу.Работы по созданию функциональных поверхностей выполнены вФемтосекундном Лазерном Центре (ФГБУН Объединенный институтвысоких температур Российской академии наук).Степень разработанности темыНесмотря на значительное число исследований и существенныйпрогресс в проблемах модификации поверхности при помощи ФЛИ (группыКонова, Вейко, Мазура, Бонсе, Воробьева, Гуо, Ндао, Стратакиса,Анастасиадиса и др.), имеется ряд важных вопросов, которые изученынедостаточно подробно, особенно это касается модификации механических итеплофизических свойств поверхности применительно к проблемамэнергетики и электроники.

Прежде всего, речь идет об исследованиитеплофизических процессов, которые оказывают основное влияние наформирование морфологии и новых свойств функциональных поверхностей.На основе проведенного анализа результатов исследований повоздействию фемтосекундных лазерных импульсов на различныеповерхности, можно сделать следующие выводы:5- Несмотря на значительный прогресс в понимании физических процессов,происходящих в полупроводниковом материале в результате его облученияФЛИ, практически неизученными остаются процессы формированияморфологии поверхности (с образованием кратеров сложной морфологии иразличных нано- и мезоструктур) при однократном воздействии ФЛИумеренной интенсивности. В частности, остается неясной рольгидродинамических и теплофизических процессов (гидродинамикадвижения расплава, процесс абляции), участвующих в эволюции материала,нагретого в результате сверхбыстрого вложения больших энергий;- недостаточная исследованность механических и теплофизических свойствфункциональных поверхностей, созданных методом фемтосекунднойлазерной поверхностной обработки (ФЛПО), актуальных для различныхприложений (тепловая и атомная энергетика, солнечная энергетика,упрочнение материалов, новые механические, электромагнитные итеплофизические свойства поверхностей)- слабая изученность процессов смачивания и растекания различныхжидкостей по функциональным поверхностям, созданным с помощью ФЛИ.- недостаточная и неполная изученность процессов испарения, конденсации икипения на функциональных поверхностях, созданных с помощью ФЛИ;- неполное исследование эффекта Лейденфроста и возможности повышенияэффективности функциональных энергетических поверхностей с точкизрения съема больших тепловых потоков;- слабая изученность процессов упрочнения поверхности различныхматериалов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, в частности,на примере графита;- недостаточность исследования влияния вложенной энергии и внешнейсреды на формирование различных морфологий на поверхностимонокристаллического кремния при однократном воздействии ФЛИ;- недостаточная изученность вопроса о возможности создания сквозныхмикроканалов в различных материалах с помощью ФЛИ, в частности,применительно к задачам тепломассообмена и охлаждения слаботочной исильноточной электроники;- слабая изученность модификации и удаления нанослоев тонкопленочныхмногослойных структур.Решение указанных проблем позволит создавать и модифицироватьфункциональные поверхности и тем самым управлять теплофизическимипроцессами, что является чрезвычайно важным для разработки и созданияэнергоэффективных технологий.Цели и задачиОсновной целью данной работы является исследование и разработкаметодов фемтосекундной лазерной технологии для создания (модификации)функциональных поверхностей применительно к задачам энергетики иэлектроники:изменениетеплофизических,гидродинамическихи6механических свойств поверхности, селективное удаление и модификациятонких слоев (5–100 нм) массивных и тонкопленочных материалов, а такжеисследование возможности использования такой технологии для создания вкристалле кремния сквозных микроканалов, важных в проблемах охлаждениямикроэлектроники и других энергетических применениях.