Диссертация (1143290), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Поэтому, в диссертационной работеполучено также распределение температуры на поверхности пленки TiO2 при лазерном обучении структуры пленка-сапфир.На рисунке 5.14 представлена зависимость температур на поверхности пленок от средней мощности излучения лазера.186Рисунок 5.14 – Зависимость температурного поля на поверхности пленки отсредней мощности излучения лазераСледовательно, проведены исследования лазерного воздействия на структурупленка-сапфир при различных технологических условиях с использованием оборудования (LIMO 100-532/1064-U).
Проведены расчеты распределения температурного поля в процессе лазерного воздействия на структуру пленка-сапфир (в качестве пленок рассматривались Fe2O3 и TiO2). В результате исследований определено, что при средней мощности излучения лазера 80 – 90 Вт температура на поверхности пленки Fe2O3 будет около 800 – 900 К, что является необходимым условием для формирования пленки на поверхности сапфировой подложки. Время образования пленки довольно мало, так как поверхность сапфира характеризуетсяотносительно высокой температурой в течение нескольких наносекунд после лазерного импульса.Определено, что при средней мощности излучения лазера 70 – 80 Вт температура на поверхности пленки TiO2 находится в диапазоне 650 – 700 К, что является необходимым условием формирования пористой структуры пленки.187Морфологию структуры пленок Fe2O3 и TiO2 можно изменять путем варьирования мощности лазерного излучения и температуры, что в результате позволяетперераспределить дефекты в структуре и улучшить качество пленок для применения в тонкопленочной оптике и микроэлектронике.5.2.1 Анализ процесса лазерной обработки структуры пленка–сапфир всистеме ANSYSПроведены также исследования процессов лазерной обработки структурыпленка Fe2O3 – сапфир в системе инженерного конечно-элементного анализаANSYS, дающей возможность анализировать распределение температуры на поверхности образца при разной скорости сканирования луча лазера.Этапы анализа процесса лазерной обработки структуры пленка–сапфир в системе ANSYS: задание свойства материала; создание геометрической модели; генерация конечно-элементной сетки и задание параметров симуляции; решение и представление результатов.Для численного решения задачи лазерной обработки структуры пленка Fe2O3– сапфир лазерным лучом был использован тип нестационарного теплового анализа (Transient Thermal), учитывающий характер изменения исследуемых температурных характеристик во времени.
В процессе моделирования лазерной обработкиструктуры пленка–сапфировая подложка исследовалась сапфировая пластина соследующими габаритными размерами 30 мм × 30 мм × 2.5 мм с пленкой оксидажелеза (Fe2O3) толщиной порядка 1 мкм. Расчетная сетка образца составила 41530узлов и 16724 элементов (рисунок 5.15).188Рисунок 5.15 – Расчетная сетка образцаНа рисунке 5.16 представлено распределение температуры структуры пленкаFe2O3 – сапфир при средней мощности лазерного излучения 90 Вт, скорости 10мм/с: а – через 1 с; б – через 2 с, в – через 5 с; г – через 10 с.авбгРисунок 5.16 – Распределение температуры структуры пленка Fe2O3 – сапфир при средней мощности излучения лазера 90 Вт, скорости 10 мм/с: а – через 1с; б – через 2 с, в – через 5 с; г – через 10 сНа рисунке 5.17 приведена зона термического воздействия лазерного излучения на структуру пленка Fe2O3 – сапфир (T≥300 oC).189Рисунок 5.17 – Зона термического воздействия лазером на структуру пленка–сапфирНа рисунке 5.18 получена зависимость максимальной температуры наповерхности структуры пленка Fe2O3 – сапфир от скорости сканированиялазерного луча.
На рисунке 5.18 видно, что максимальная температура наповерхности структуры пленка – сапфир в процессе лазерной обработкиуменьшается с повышением скорости перемещения луча лазера. Зависимостьмаксимальной температуры на поверхности структуры пленка Fe2O3 – сапфир отсредней мощности излучения лазера при разной скорости сканированияпредставлена на рисунке 5.19.
Как видно на графике, температура структурыпленка Fe2O3 – сапфир нелинейно зависит от скорости сканирования лазерноголуча и линейно зависит от средней мощности лазерного излучения.18001600Tmax, 0C1400120070 Вт100080080 Вт60090 Вт4002000051015Скорость, мм/сРисунок 5.18 – Зависимость максимальной температуры на поверхностиструктуры пленка Fe2O3 – сапфир от скорости сканирования луча лазера1901800160014001 мм/сTmax, 0C120010005 мм/с80010 мм/с60015 мм/с40020004050607080Мощность, Вт90100Рисунок 5.19 – Зависимость максимальной температуры на поверхностиструктуры пленка Fe2O3 – сапфир от средней мощности лазерного излученияТаким образом, проведены расчеты лазерной обработки структуры пленкаFe2O3 – сапфир с помощью системы ANSYS. Результаты исследования показали,что температура структуры пленка Fe2O3 – сапфир нелинейно зависит от скоростисканирования лазерного луча и линейно зависит от средней мощности лазерногоизлучения.
В результате моделирования показано, что при средней мощностилазерного излучения 70 – 90 Вт со скоростью луча лазера 5 – 10 мм/с наповерхности пленки температура будет порядка 500 – 600 0C, что являетсянеобходимым условием для образования пленки Fe2O3 на поверхности сапфира иобеспечивающим максимальный отжиг дефектов (удаление дислокаций и точечных дефектов) и согласуется с результатами, полученными автором ранее.5.3 Исследование процессов получения пленок на поверхности сапфирапод воздействием лазерного излучения в жидкостиИсследование абляционных процессов является отдельным разделом физикивзаимодействия лазерного излучения с материалами [236-239]. В настоящее времянаиболее подробно изучена абляция твёрдых тел в газовой и вакуумной среде, аабляция твёрдых тел в жидкостях изучена в значительно меньшей степени.
Следу191ет ожидать, что процессы, происходящие в жидкости при воздействии лазернымизлучением на границу её раздела с твёрдым телом, влияют на скорости и механизм абляции. В диссертационной работе изучается абляция твёрдого материалапри лазерном воздействии на его границу раздела с жидкостью.Выполнен ряд экспериментальных исследований по обработке поверхностисапфира и образованию пленок на поверхности сапфировой подложки в жидкостив Научно-образовательном центре «Лазерные технологии» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета.Проведены опыты по воздействию лазером на границу раздела «твердое тело/жидкость». В качестве жидкостей для проведения исследования были выбраныпоглощающие растворы KMnO4, FeCl3 с высокими коэффициентами поглощенияна длине волны излучения лазера.
Техническая оснастка (алюминиевый кожух санодным покрытием) была изготовлена для реализации исследований влияния лазерного луча на границу раздела «твердое тело/жидкость» (рисунок 5.20).Рисунок 5.20 – Техническая оснастка экспериментаВлияние импульсногоизлучения лазерана границу раздела «сап-фир/поглощающая жидкость» может вести к абляции сапфировой поверхности. Кпричине разрушения можно отнести влияние на поверхность сапфира импульсовдавления, появляющихся при поглощении лазерного излучения в жидкости.192Импульсное лазерное облучение границы раздела «прозрачное твердое тело/жидкость» ведет к осаждению на его поверхности пленок.
Эффект осажденияпленок на поверхности прозрачного твердого тела при лазерном облучении егограницы с жидкостью является эффектом, не исследованным ранее и описаннымвпервые Вороновым В.В., Долгаевым С.И. и Шафеевым Г.А. [236-239], использующим в своих работах лазер на парах меди.Результаты проведенных исследований приведены в таблице 5.3.Таблица 5.3 – Результаты проведенных исследованийМощность лазер- Количество прохо- Поглощающийного излучения, Вт дов лазерного луча раствор9643 % раствор FeCl396Наличие пленкиПленкажелтогоцвета10Раствор KMnO4Пленка розовогоцветаОсаждение пленок обусловлено термическим разложением (пиролизом) вфокусе лазерного пучка веществ, растворенных в воде.
В качестве подложки использовался сапфир, что связано с его физическими свойствами. Поскольку излучение фокусируется на границу раздела сапфира с раствором сквозь поглощающую пленку, то ее оптическая толщина обратно пропорциональна интенсивностиизлучения лазера.5.3.1 Экспериментальные исследования структуры и свойств пленок наповерхности сапфира при лазерной обработке в жидкостиСтруктура поверхности образцов была исследована сканирующим электронным микроскопом Hitachi SU8000 (рисунок 5.21) в Институте органической химииим. Н.Д.
Зелинского Российской Академии Наук (ИОХ РАН, Москва). К основнымособенностям микроскопов этой серии относят: высокое разрешение даже при малых ускоряющих напряжениях; широкий набор систем детектирования; большойкруг исследуемых объектов и изменяемые параметры полноценного изображения;193возможность оптимизации оборудования для интеграции в научную и образовательную деятельность.Рисунок 5.21 – Сканирующий электронный микроскоп Hitachi SU8000В рамках описанного в работе [240] подхода проведена оптимизация аналитических измерений. Для съемки образцы располагали на поверхность алюминиевого столика с диаметром 25 мм, крепили их с помощью проводящего клея инапыляли на них проводящий слой металла (Pt/Pd, 80/20) толщиной 6 нм методоммагнетронного распыления, приведенного в работе [241].
Микроструктуру образцов исследовали с помощью метода сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией (FE-SEM) на электронном микроскопе Hitachi SU8000. Получениеизображений осуществляли в режиме регистрации вторичных электронов приускоряющем напряжении 10 кВ и рабочем расстоянии 8 – 18 мм. Морфология образцов изучалась с учетом поправки на поверхностные эффекты напыления проводящего слоя [241].194Проведено EDX-SEM исследование образцов и их картографирование с помощью энерго-дисперсионного спектрометра Oxford Instruments X-max. До измерения образцы покрывались тонкой пленкой палладия (6 нм) с помощью углеродного напылителя Cressington 208.На рисунке 5.22, а приведены изображения морфологии поверхности сапфировой подложки.
Масс-спектры образца представлены на рисунке 5.22, б.а)б)Рисунок 5.22 – Морфология поверхности сапфира (а) и масс-спектры образца(б)На рисунке 5.23, а, б приведена морфология пленки желтого цвета Fe2O3 наповерхности сапфировой подложки, полученной при многократной обработке пластины (4 прохода) Nd:YAG лазером с мощностью 96 Вт в присутствии воды 3 %раствора FeCl3. На рисунке 5.24 представлены масс-спектры полученного образца.а)б)Рисунок 5.23 – Изображения пленки Fe2O3 на сапфировой подложке195Рисунок 5.24 – Масс-спектры полученного образцаДля исследования спектральных характеристик и определения состава пленки получен образец с неравномерной пленкой, приведенный на рисунке 5.25. Нарисунке 5.26, а показано направление измерения масс-спектров образца. Соответственно на рисунке 5.26 приведены масс-спектры, характеризующие распределения кислорода, алюминия, хлора и железа по образцу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
