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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»На правах рукописиРОМАШЕВСКИЙ СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТЯХФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОМЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорДмитриев Александр СергеевичМОСКВА 20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................

5От автора ........................................................................................................................ 19ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВС ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ......................................................... 211.1 Физические аспекты взаимодействия фемтосекундных лазерныхимпульсов с полупроводниками .............................................................................. 211.2 Модификация термогидродинамических свойств поверхностейс помощью фемтосекундных лазерных импульсов: смачивание,эффективность теплообмена, эффект Лейденфроста.............................................

321.3 Модификация механических свойств поверхностей с помощьюфемтосекундных лазерных импульсов: упрочнение поверхности ....................... 351.4 Модификация поверхности полупроводников в результатеоднократного воздействия фемтосекундного лазерного импульса ...................... 421.5 Снятие нанослоев с тонкопленочных многослойных структурс помощью фемтосекундных лазерных импульсов ............................................... 43Выводы и постановка задач исследований ............................................................. 57ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, МЕТОДИКИПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ ...................

592.1 Описание фемтосекундной лазерной системы на кристаллетитан-сапфира ............................................................................................................ 592.2 Методика определения параметров лазерного излучения ........................... 642.2.1 Измерение длительности лазерного импульса ........................................ 642.2.2 Измерение энергии лазерного импульса .................................................. 652.2.3 Измерение временного профиля (контраста) лазерного импульса ....... 662.2.4 Параметр M2 ................................................................................................ 682.2.5 Методика определения радиуса пучка и пороговых значенийплотности энергии .................................................................................................. 712.3 Описание иттербиевой волоконной фемтосекундной лазерной системы ..

772.4 Описание диагностических методик .............................................................. 782.4.1 Исследование морфологии поверхности ................................................. 782.4.2 Исследование фазового состава поверхности ......................................... 782.4.3 Исследование процессов смачивания и испарения................................. 80Выводы к главе 2........................................................................................................ 813ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА БАЗЕМОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ С ЦЕЛЬЮ МОДИФИКАЦИИИХ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ............................................ 823.1 Экспериментальная схема и режимы модификации поверхности ..............

833.1.1 Экспериментальная схема ......................................................................... 833.1.2 Режимы модификации поверхности ......................................................... 843.2 Морфология модифицированной поверхности кремния(СЭМ, АСМ, ОМ) ...................................................................................................... 883.3 Изучение смачивания на модифицированных поверхностях кремния....... 913.4 Исследование теплофизики испарения на модифицированныхповерхностях кремния ............................................................................................... 943.5 Создание сквозных микроканалов в кристалле кремниядля охлаждения современной микроэлектроники................................................

105Выводы к главе 3...................................................................................................... 109ГЛАВА 4. ТЕПЛОФИЗИКА ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИГРАФИТА В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЩНЫХФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ....................................... 1114.1 Возможности изменения механических свойств функциональныхматериалов с помощью ФЛИ .................................................................................. 1114.2 Упрочнение поверхности графита.Описание экспериментальной схемы .................................................................... 1124.3 Измерения механических и структурных свойств модифицированнойповерхности графита ...............................................................................................

1184.3.1. Исследование морфологии и фазового состава послевоздействия лазерного излучения умеренной интенсивности ........................ 1184.3.2. Исследование морфологии и фазового составапосле воздействия лазерного излучения высокой интенсивности .................. 1284.4 Измерение микротвердости и модуля упругости после воздействиялазерного излучения умеренной и высокой интенсивности ............................... 1324.5 Отработка режима сканирования при лазерной обработке. ...................... 136Выводы к главе 4......................................................................................................

1404ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙЭВОЛЮЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯВ РЕЗУЛЬТАТЕ ОДНОКРАТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ СРЕДАХ ............ 1435.1 Постановка задачи и методика эксперимента ............................................. 1445.2 Воздействие в газе (на воздухе) .................................................................... 1465.3 Воздействие в жидких средах (в воде и в масле) ........................................

1555.4 Анализ полученных результатов .................................................................. 177Выводы к главе 5...................................................................................................... 180ГЛАВА 6. МОДИФИКАЦИЯ И УДАЛЕНИЕ НАНОСЛОЕВТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ Al–Si ПРИОДНОКРАТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХИМПУЛЬСОВ ............................................................................................................ 1826.1 Постановка задачи и методика эксперимента ............................................. 1826.2 Эволюция поверхности многослойной структуры Al–Siпри однократном воздействии фемтосекундных лазерных импульсовна воздухе .................................................................................................................

182Выводы к главе 6...................................................................................................... 189ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................ 191Список условных обозначений и сокращений .........................................................

195Список литературы ..................................................................................................... 1965ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияВ последние годы большой научный и практический интерес вызываютфункциональныеэнергетическиеповерхности,модифицированныеподопределенные 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 является созданиемногофункциональных поверхностей и материалов для фотоэлементов солнечнойэнергетики и биомедицинских технологий.

Актуальность данной работы состоит вразработкеперспективныхтехнологийсозданияимодифицированиямногофункциональных поверхностей для решения современных задач энергетикии микроэлектроники.Модифицированные поверхности должны обладать целым рядом новыхтеплофизических, гидродинамических и механических свойств, адаптированныхпод выполнение специальных задач в соответствующих условиях. В частности,речь идет о создании новых поверхностей с возможностью управленияразличными термогидродинамическими процессами, включая смачивание ирастекание, испарение и кипение рабочих жидкостей. Кроме того, они должныбытьстойкимикразличнымтепловым,химическимимеханическимвоздействиям.Морфология поверхности и ее физико-химические свойства являютсяключевыми факторами, влияющими на многие процессы, происходящие награнице раздела фаз (интерфейсе). Изменяя морфологию и физико-химическиесвойства поверхности можно управлять, в частности, термогидродинамическимипроцессами.

Среди различных способов модификации поверхностей в последнеевремя получил большое распространение способ воздействия на поверхностифемтосекундными лазерными импульсами (ФЛИ).6ЭффективностьпрактическогоиспользованияФЛИобусловленаисключительно короткой длительностью импульса (5—500 фс), высокой пиковоймощностью в импульсе (до 1015 Вт), а при его фокусировке – высокойинтенсивностью лазерного излучения (1011—1022 Вт/см2).

Предельные параметрыФЛИ активно используются для решения различных фундаментальных иприкладных задач.Предельно короткая длительность импульсов в науке используется, главнымобразом, для исследования различных быстропротекающих явлений и процессовметодом возбуждение – зондирование. Эту технику можно классифицировать каксверхскоростную киносъемку с минимальным интервалом между кадрами,определяемым длительностью подсвечивающего импульса (~100 фс). С еепомощью удалось проследить динамику электронов в полупроводниковыхматериалах,процессыобразованияиразрушениямолекул,удалосьзарегистрировать процессы в светочувствительных клетках глаза при поглощениисвета, а также изменить ход химической реакции с образованием требуемыхпродуктов («фемтохимия», нобелевская премия по химии присуждена А.