Диссертация (1145499), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

В случае рассмотрения гетерогенной системы (граница разделаподложка/раствор) оценка температуры может проводиться для той среды,которая имеет более высокий коэффициент поглощения оптическогоизлучения.Расчеттемпературывобластилазерноговоздействияпредставляет собой сложную математическую задачу, требующую учетабольшого числа параметров системы. Однако использование в значительнойстепени упрощенных моделей, рассматривающих ситуацию установившихсяпроцессов теплопередачи, позволяет получать вполне адекватные оценкитемпературы в области лазерного воздействия для случая непрерывноголазерного излучения.При проведении экспериментов по осаждению меди из раствораэлектролита использовалось излучение непрерывного лазерного источника,осаждение проводилось при достаточно низких мощностях лазерногоизлучения (до 400 мВт), что позволяет использовать стационарную модельпри рассмотрении процессов лазерного нагрева.При использовании непрерывного источника лазерного излучениявозможно рассмотрение уравнения теплопроводности для стационарнойситуации - случай термодинамического равновесия процессов оттока ипритокатепла,атакжепредполагаетсясферическаясимметрияраспределения тепловых источников в области лазерного воздействия.

Для80таких условий уравнение теплопроводности может быть представлено как:P01 2 r2 rT r    2 exp  2  .r r 2w  w (2.6)Решение уравнения (2.6) дает следующее пространственное распределениетемпературы:T r   T0 wP0r erf   ,4  r  w(2.7)r2где T0 – начальная температура, erf (r, r0 )  (2 /  )  e d - функция ошибок,r0– коэффициент поглощения, P0 - средняя мощность, w - радиус лазерногопучка,  - теплопроводность.Результаты оценок температуры в области лазерного воздействия дляширокого диапазона мощностей лазерного излучения 50 – 400 мВтпредставлены на рисунке 2.13.

По оси ординат представлено увеличениетемпературы среды (Т) вследствие лазерного нагрева. Как следует изпроведенного анализа, даже в случае максимальной используемой вэксперименте мощности лазерного излучения - 400 мВтнаблюдаетсянезначительный прирост температуры - до 35 С.50 мВт100 мВт200 мВт400 мВт30T, 0C201000246810r, мкмРисунок 2.13 Пространственное распределение прироста температуры приразличных мощностях лазерного излучения.81Полученные значения прироста температуры в зоне лазерноговоздействия не соответствуют экспериментальным наблюдениям – процессосажденияметаллическойперемешиваниемраствора,фазысопровождаетсяформированиемпузырей,интенсивнымзначительнымповышением температуры раствора электролита в случае длительноголазерного воздействия. На рисунке 2.14 представлены оценка температурыраствора на основе CuSO4 с учетом исходной температуры раствораэлектролита и прироста температуры за счет лазерного воздействия.Значения прироста температуры за счет лазерного нагрева представлены дляпороговых мощностей лазерного излучения, необходимых для инициациипроцессаосаждениядляразличныхисходныхтемпературраствораэлектролита.

Как видно из рисунка, инициация процесса осажденияпроисходит при температурах раствора, близких к 50 С.увеличение температуры раствораза счет лазерного нагреваисходная температура раствора6050T, 0C40302010050100150200250P (мВТ)Рисунок 2.14 Температура в области лазерного воздействия (исходнаятемпература раствора + прирост температуры за счет лазерного нагрева) дляразличных пороговых мощностей лазерного излучения.82По всей вероятности, раствор электролита с исходной температурой55С находится в метастабильном состоянии и незначительного лазерногонагрева достаточно для инициации процесса осаждения.В рассматриваемой модели предполагалось, что основной нагреввещества происходит за счет поглощения лазерного излучения растворомэлектролита, поскольку коэффициент поглощения подложки на длине волнылазерного излучения значительно меньше коэффициента поглощенияраствора электролита.

Однако, следует заметить, что при воздействиилазерного излучения на границу раздела подложка/электролит могутразвиваться и процессы, связанные с поглощением оптического излучения налокальных микронеоднородностях и дефектах подложки, что можетприводить к значительному нагреву этих локальных областей. Указанноеобстоятельство может являться фактором, определяющим инициациюлазерно-индуцированного осаждения на поверхности подложки при высокойисходной температуре раствора (55С) и низкой мощности лазерногоизлучения (50 мВт).Таким образом, представленные оценки температуры указывают нато, что инициация процесса осаждения металла происходит при температуреоколо 50 °С.

Следствием процесса инициации является формированиезародышей – наночастиц металла количество которых определяетсяскоростьютемпературе.окислительно-восстановительногоОдновременнопроцессакоэффициентприпоглощенияданнойвзоневоздействия лазерного пучка возрастает за счет формирования новой,поглощающей свет фазы на поверхности подложки.Следующей стадией процесса лазерно-индуцированного осажденияявляется нагрев за счет более эффективного поглощения лазерногоизлучения подложкой со сформированными зародышами металла, а нераствора электролита. Использование уравнения теплопроводности для такойнеоднородной системы является некорректным.83Адекватная оценка лазерного нагрева подложки с металлическимизатравкамиможетбытьвыполненасиспользованиемподхода,рассматривающего воздействие лазерного излучения на металлическиезатравкисферическойэлектромагнитногоэлектрический токформы.полявПодвоздействиемметаллическихчастицахвнешнегоиндуцируется, где  - удельная проводимость металла, а Е –напряженность внешнего электрического поля.

В таком случае мощностьтепла, выделяемого в единице объема среды согласно закону Джоуля —Ленца составляет  = Е2 [149]. Для сферической металлической частицырадиуса rm мощность выделяемого тепла определяется как:(2.8)где I – плотность мощности лазерного излучения, с – скорость света, 0 диэлектрическая постоянная.В состоянии равновесия выделяемая за счет поглощения мощность равнапотоку через всю поверхность.

С учетом закона Фурье изменениетемпературы вблизи металлической частицы можно оценить как:∆Т ,(2.9)где Nm – число металлических частиц на подложке в области лазерногофокуса радиусом rl.,  - теплопроводность.Изменение температуры за счет взаимодействия лазерного излучения сметаллическимичастицамиопределяетсявзначительнойстепенимощностью лазерного излучения, размером металлических наночастиц и ихколичеством.

В таблице 2.5 представлены результаты оценки изменениятемпературы за счет одной металлической (медной) частицы при различномрадиусе частицы и различной мощности лазерного излучения.84Таблица 2.5 Изменение температуры за счет одной металлической частицыТm, (С)Pл (мВт)rm = 10 нмrm = 5 нмrm = 1 нм400290353300220302200140201.510070101504050.5Таким образом, как видно из представленных в таблице значений, диапазонизменения температуры может быть очень широк и достигать значенийпорядка 300 °С в случае высокой мощности лазерного излучения и большогодиаметра частицы (20нм) .

Полный прирост температуры в области лазерногофокуса зависит от числа металлических частиц в облучаемой области (Nm) иопределяется как Т = Nm Тm.Таким образом, анализ полученных экспериментальных данных иоценки температуры в области лазерного воздействия свидетельствуют одвух основных стадиях процесса ЛОМР.Перваястадияподложка/растворзасвязанассчетнагревомпоглощениягетерогеннойлазерногосистемыизлученияпреимущественно раствором электролита. На данной стадии процессапроисходит незначительный нагрев системы до пороговой температуры,котораясоставляетрассматриваемогооколо50состава).°С(дляСледствиемрастворовхимическихэлектролитовпроцессов,развивающихся на данной стадии является формирование в областилазерного воздействия зародышей – наночастиц осаждаемого металла.

Приэтом, как было продемонстрировано в разделе 2.2.2, присутствующие врастворе электролита анионы могут оказывать достаточно сильное влияниена процесс зародышеобразования.85Вторая стадия процесса ЛОМР развивается в результате нагревагетерогенной системы подложка/раствор за счет более эффективногопоглощения лазерного излучения подложкой с сформировавшимися на нейзародышами на 1 стадии. Здесь речь может идти о нагреве до чрезвычайновысоких температур, достигающих 400-600°С, а возможно и более,(конкретные значения температур определяются конкретными параметрамисистемы). В данном случае температура в области воздействия лазерногоизлучения определяется мощностью лазерного излучения и количествомосажденногометалла.Помереувеличениятолщиныосажденногометаллического слоя происходит изменение оптических характеристиксистемы–уменьшаетсякоэффициентпропускания,увеличиваютсякоэффициенты поглощения и отражения.

При достижении определеннойтолщины металлического покрытия коэффициент пропускания стремится кнулю, при этом существенно возрастает коэффициент отражения, которыйтакже зависит от толщины осажденного металла.Следствием столь значительного нагрева гетерогенной системыявляется эффективный рост зародышей и формирование сплошного слояметаллического покрытия в области лазерного воздействия.

В случаедостаточно высоких мощностей лазерного излучения, а значит высокихлокальных температур может происходить плавление зерен осажденногометалла, либо, при достижении критических температур, его разрушение.Наосноветеоретическихпредставленныхисследованийрезультатовможносделатьэкспериментальныхзаключение,чтоивсеисследованные в данной работе параметры растворов и условия осаждениякрайненеоднозначновлияютнасвойстваметаллическихструктур,сформированных под воздействием лазерного излучения.

Характеристики

Список файлов диссертации