Лазерно-стимулированные микроструктурные процессы в конденсированных средах, страница 4

Длявыяснения причин аномального рассеяния исследования проводились вразличных газах: в активных газах, таких как кислород, азот, углекислый газ,способных образовывать химические соединения с кремнием при высокихтемпературах, и инертных газах-гелий, аргон, криптон которые не образуютсоединений. Выбранные газы существенно отличаются друг от друга также18атомнымиразмерами(внесколькораз),химическойактивностью,растворимостью в кремнии (на несколько порядков) и коэффициентамидиффузии (на несколько порядков).Показано, что порог (по I) появления аномального пика рассеяния накремнии зависит от типа окружающего газа: наименьший порог наблюдается ватмосфере гелия, а максимальный - в атмосфере криптона см.рис.5.а)б)Рис.5.

а) Изменение порогового значения Ith, приводящего к появлению аномальногорассеяния в среде различных газов, б) Зависимость интенсивности рассеянного излучения оттипа окружающего газа при одинаковом I (I≈2.5×106Вт/см2).Наблюдаемыеаномалииврассеяниизондирующегоизлучениясвязываются с образованием нестабильных локальных неоднородностей(рассеивающих центров) в приповерхностном слое. Локальные неоднородностиобразуются в результате генерации дислокаций и лазерно-стимулированнойдиффузии атомов окружающего газа в приповерхностный слой и представляютсобой систему “дислокация + облако примесных атомов”.Четвертая глава посвящена исследованиям механолюминесценции (МЛ)хрупкихмелкодисперсныхматериалов,возбуждаемойимпульснымипластическими термодеформациями при воздействии лазерных импульсов.Для проведения исследований был приготовлен набор металлическихпластин из W, Mo, (хрупкие мелкодисперсные материалы с низкой19подвижностью дислокаций) и из Al, Cu, Ti (пластичные материалы с высокойподвижностью дислокаций) с толщинами-от 50мкм до 500мкм и набор пленокиз этих же материалов с толщинами ≈1-2 мкм, напыленных на кварцевыеподложки.

Импульсная деформация образцов осуществлялась воздействиеммиллисекундныхисубмикросекундныхимпульсовNd:YAGлазеров.Регистрация МЛ осуществлялась с тыльной по отношению к воздействующемулазерномулучуповерхностистороныпроводилсяобразца.сКонтрольпомощьюсостоянияоптическогоиисследуемойатомно-силовогомикроскопов.Установлено, что в хрупких мелкодисперсных металлах в вольфраме и вмолибдене, при импульсной термодеформации может возбуждаться МЛ.Измерены характерные значения интенсивности МЛ в исследованныхматериалах. Показано, что имеется тенденция к росту пороговых значенийтермонапряжений σth(Tth), необходимых для возбуждения МЛ, с уменьшениемтолщины образца, см.рис.6. На рис.7 для сравнения показаны характерныезначения σth(Tth) для мелкодисперсных пленок из разных материалов.Получены спектральные зависимости интенсивности МЛ вольфрама имолибдена в диапазоне λ=460-760 нм, возбуждаемой воздействием лазерныхимпульсов.

Показано, что МЛ вольфрама и молибдена имеют широкий спектр инаблюдаются во всем исследуемом спектральном диапазоне.Согласномелкозернистыхсуществующимматериалахвнастоящеедислокацииввремяобъёмепредставлениям,зеренвпрактическиотсутствуют, а пластическая деформация происходит в основном за счетмежзеренногопроскальзывания,поэтомуможнопредположить,чтомеханолюминесценция таких материалов обусловлена активацией реакцийвзаимодействия зернограничных дислокаций с примесными состояниями,локализованными в межзеренной области (в результате туннельных переходов).Полученные результаты и предлагаемый подход к их обьяснению в целомкоррелируют с результатами других авторов, известными из литературы,20например,см.[5∗].Предложеннаямодельпозволяеткачественноинтерпретировать результаты экспериментов.160Tth, °C12080400TiCu1412AlMoσth×10 , N/m721086420Рис.6CuTiAlMoРис.7Рис.6.

Измеренная зависимость пороговой плотности мощности лазерного импульса Ith.(h),необходимой для возбуждения механолюминесценции в молибдене, от толщины h образца исоответственно рассчитанные зависимости пороговых температур Tth[Ith.(h)], итермонапряжений σth(Tth), (h=1, 100, 200, 300, 400, 500мкм.).Рис.7. Пороговые значения температуры Tth[Ith.(h)] и термонапряжений σth(Tth),необходимые для возбуждения МЛ в различных пленках (h≈1-2 мкм).В пятой главе исследуются механизмы формирования структур рельефаповерхности на стенках канала проплавления и скорость движения дна канала вметаллах при воздействии миллисекундных и субмиллисекундных импульсовNd:YAG лазера.

Исследования проводились на воздухе, в вакууме и ватмосфере газов (кислород, аргон) при давлениях до 15 атмосфер. Длявыявления вклада окисления на формирование рельефа поверхности стенок искорость образования канала исследования проводились в разных похимической активности газах: кислороде (активный газ) и аргоне (инертныйгаз).21Построены зависимости скорости движения дна канала проплавления v(I,P) отплотности мощности лазерного импульса и давления окружающего газа.Показано, что вид зависимостей v(I,P) в атмосфере кислорода и аргонасущественно различаются. В кислороде, при повышенных значениях (I,P),скорость образования канала заметно выше, чем в аргоне.Рис. 8. Пульсирующий режим пробивки пластины из нержавеющей стали: а)-при I=2.5⋅105Вт/см2; b) при I=4⋅105 Вт/см2; кривая 1-лазерный импульс, 2- интенсивность проходящеголазерного излучения в момент пробивки пластиныЗависимости v(I,Р) состоят из нескольких характерных участков, наличиекоторых вероятно связано со сменой механизмов удаления расплава из каналапри увеличении I.а)б)Рис.

9. а) крупномасштабная спиралеподобная структура с шагом d≈30-40 мкм на днеканала, образец вольфрам, б) мелкомасштабная структура с периодом d≈λ (λ≈1.06 мкм) настенках канала, образец никель22Обнаруженпульсирующийрежимобразованиясквозногоканалапроплавления (пробивки) металлических пластин см.рис.8. Зарегистрированыколебания температуры дна канала. Частота колебаний температуры хорошокоррелирует с пульсирующим режимом пробивки пластин, что дает основаниеполагать, что колебания температуры связаны с колебательным характеромвытеснения (абляции) расплава из канала проплавления.Обнаружена новая форма крупномасштабной периодической структуры,представляющей собой спиралеобразную модуляцию рельефа поверхностистенок канала с шагом d∼30-40 мкм.

см рис.9а.Установлено, что наряду с крупномасштабными структурами имеет местообразование на стенках канала мелкомасштабных периодических структур спериодом d∼1-3 мкм (период меняется по глубине) и ориентацией,направленной по касательной к стенкам канала (штрихи решетки направленывглубькаверны)см.рис.9б.Подобныеструктуры,вероятно,вносятсущественный вклад в поглощение лазерного излучения. Мелкомасштабныеструктуры имеют интерференционную природу и для “плоской” геометриидостаточнополнопроплавленияизучены.значительныйДлягидродинамикиинтересрасплавапредставляютвканалекрупномасштабныеструктуры.Обсуждаются возможные механизмы образования крупномасштабныхупорядоченных структур, связанные с развитием неустойчивости рельефаповерхности расплава к действию термокапиллярных сил (термокапиллярнаянеустойчивость-ТКН) и давлению отдачи паров (капиллярно-испарительнаянеустойчивость-КИН).

При интерпретации экспериментальных результатов ипроведении оценок использовались результаты работы [6∗].Развитие неустойчивостей во многом определяется скоростью вкладаэнергии лазерного излучения в зону облучения. Наличие повышенноговнешнего давления может изменить газодинамику испарения и разлета паров, врезультате изменится вклад энергии и условия развития неустойчивостей.Обнаружено, что с повышением давления окружающего газа подавляется23тенденциякформированиюрельефаповерхностина стенкахканалапроплавления.Основные результаты и выводы по работе.I. Исследование процессов дефектообразования в пленках:1.Обнаруженоявлениеобразованияпериодическихструктурпорвметаллических пленках в процессе их газофазного осаждения на неоднороднонагретую с помощью лазерного излучения подложку.

Измерены основныехарактеристики структур (время образования, период, распределение вдольповерхности подложки).2. Установлено, что в местах скопления пор начинается отслоение пленки отподложки. Указаны режимы осаждения, при которых можно избежатьобразования структур пор и разрушения пленки.3. По спектрам эмиссии продуктов испарения показано, что при импульсномлазерном напылении ВТСП- пленок в атмосфере кислорода, стехиометрическийсостав пленок обеспечивается за счет доставки недостающего кислорода в видеокислов YO, BaO, CuO.II. Исследование процессов дефектообразования в поверхностном слоекремния:1.

Обнаружено, что в зависимости от плотности энергии воздействующего наповерхность(100)монокристаллическогокремниялазерногоимпульса(τp≈1.5мс) может образоваться либо обратимая структура дислокаций, котораябыстро релаксирует после окончания лазерного импульса, либо необратимаяструктура дислокаций, которая сохраняется после окончания лазерногоимпульса.2. Показано, что локальное плавление поверхности начинается на пересеченияхлиний дислокаций.

Увеличение плотности локальных участков плавления и ихслияние вдоль кристаллографических направлений приводит к формированиюпериодическойструктурынеоднородного24плавленияповерхностиснезависящим от длины волны лазера периодом. Ориентация структуры (вдольХ или Y) определяется ориентацией вектора поляризации лазерного излученияЕ относительно кристаллографических осей.3. Установлено, что в условиях вакуума (P≈10-2 Toрр) воздействие наповерхность кремния одиночного субмикросекундного импульса Nd3+:YAGлазера с плотностью мощности вплоть до порога плавления (Im) не приводит ктвердофазномуразрушениюповерхности.Твердофазноеразрушениенаблюдается только при импульсно-периодическом воздействии.4. Построена зависимость критического числа лазерных импульсов Nc(I,τ) (гдеNc(I,τ)-минимальное необходимое число лазерных импульсов, воздействиекоторых в вакууме приводит к появлению диффузного рассеяния поверхностьюзондирующего луча) от их плотности мощности и периода следования.5.