на правах рукописи приборостроения инженерно-физического факультета Санкт-Петербургского

на правах рукописи
Работа выполнена на кафедре лазерных технологий и экологического
приборостроения инженерно-физического факультета Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики.
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Яковлев Евгений Борисович,
НИУ ИТМО, профессор кафедры ЛТиЭП
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор,
Никоноров Николай Валентинович,
НИУ ИТМО, заведующий кафедрой
Оптоинформационных технологий и материалов
Сергаева Ольга Николаевна
ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ОКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ
ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ
кандидат физико-математических наук,
Макин Владимир Сергеевич,
ОАО «Научно-исследовательский институт
оптико-электронного приборостроения»,
ведущий научный сотрудник
ИМПУЛЬСОВ
Ведущая организация:
Специальность 01.04.05 - Оптика
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Институт теоретической физики
им. Л.Д. Ландау РАН, г. Москва
Защита состоится 3 декабря 2013 г. в 17 ч.10 мин. на заседании диссертационного
совета Д 212.227.02 в Санкт - Петербургском национальном исследовательском
университете информационных технологий, механики и оптики по адресу:
197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд. 466.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики.
Автореферат разослан «30» октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.227.02
кандидат физико-математических наук, доцент
Санкт-Петербург - 2013
2
Бурункова Ю.Э.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Использование
фемтосекундных
лазеров
открывает
новые
возможности в целом ряде технологических приложений в микро- и
нанотехнологиях, микро- и нанохирургии, микро- и нанобиологии,
стоматологии, офтальмологии. Технологии на основе фемтосекундных
воздействий используют, например, для изготовления элементов для
солнечной энергетики и интегрально-оптических компонентов, повышения
производительности фотоэлектронных приборов, уменьшения трения и
повышение механической износостойкости, для обработки поверхностей
имплантов в медицине и т.д. Развитие всех этих направлений требует
изучения процессов, происходящих при воздействии импульсов
ультракороткой длительности на различные среды.
Большой
интерес
представляет
исследование
динамики
неравновесных носителей и оптических свойств конденсированных сред в
течение действия фемтосекундного импульса. Эти процессы интересны как
с точки зрения фундаментальной науки, так и для разработки новых
лазерных технологий модификации поверхности.
Одной из важных задач исследования воздействия ультракоротких
импульсов лазерного излучения на металлы является лазерное окисление,
которое лежит в основе термохимического метода изготовления
дифракционных оптических элементов, используемых для преобразования
световых пучков при дифракции на их структуре [1]. В настоящее время для
увеличения разрешающей способности полученных элементов применяют
ультракороткие лазерные импульсы. Между тем результат их воздействия
на тонкие пленки противоречит существующим теоретическим оценкам [2],
согласно которым ультракороткие импульсы не должны инициировать рост
окисной пленки на поверхности металлов. В экспериментах, описанных в
литературе [3], была показана возможность окисления металлических пленок
хрома при воздействии, как серии ультракоротких лазерных импульсов, так
и одиночных импульсов. Механизмы, приводящие к образованию
защитного окисла в этих условиях, требуют дополнительного изучения.
В работе с помощью компьютерного моделирования проведено
исследование процессов, происходящих в металле при воздействии
3
ультракоротких лазерных импульсов, а именно лазерного нагревания с
учетом эмиссии электронов и лазерного окисления.
Целью диссертационной работы является исследование механизмов
электронной эмиссии в металлах и окисления металлов при воздействии
лазерных импульсов ультракороткой длительности.
Задачи исследования
1.
Построить модель эмиссионных процессов, учитывающую термо- и
многоквантовую фотоэмиссию, при воздействии ультракоротких
лазерных импульсов на металлы.
2.
Предложить физическую и математическую модель лазерного
окисления металлов при воздействии ультракоротких лазерных
импульсов.
3.
На основе этих моделей провести анализ эмиссионных процессов и
окисления металлов при воздействии фемтосекундных лазерных
импульсов.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту
1.
Эмиссия электронов при воздействии фемтосекундных лазерных
импульсов на металлы не вносит существенного вклада в энергобаланс.
Из-за высокой начальной концентрации свободных электронов условия
возникновения кулоновского взрыва в металлах могут быть реализованы
только при плотностях энергии поглощенного излучения свыше
10 Дж/см2, при которых начинает развиваться приповерхностное облако
плазмы, механизм разрушения изменяется.
2.
Окисление металлов при воздействии одиночных фемтосекундных
лазерных импульсов происходит по линейному закону, а скорость роста
окисла определяется эмиссией электронов.
3.
Окисление металлов при воздействии фемтосекундных лазерных
импульсов с мегагерцовой частотой следования может быть описано как
окисление при действии непрерывного излучения с плотностью
мощности равной средней плотности мощности фемтосекундного
излучения.
4
полупроводниках
Научная новизна работы
1.
Впервые показано, что эмиссия электронов при фемтосекундном
лазерном воздействии оказывает слабое влияние на теплофизические и
оптические свойства образца и, следовательно, на динамику
температуры. Высокая начальная концентрация свободных электронов в
металлах препятствует созданию условий возникновения кулоновского
взрыва.
2.
При воздействии серии ультракоротких лазерных импульсов с
мегагерцовой частотой следования происходит накопление тепла в
пленке и подложке от импульса к импульсу, окисление описывается
параболическим Вагнеровским законом, как при длительном
воздействии, вклад других механизмов оказывается незначительным по
сравнению с тепловым механизмом роста окисла.
3.
При воздействии серии лазерных импульсов с низкой частотой
повторения, когда пленка успевает остыть между импульсами, или
одиночных лазерных импульсов существенное влияние на рост окисной
пленки оказывает термоэлектронная эмиссия с поверхности хрома.
Практическая ценность
Реализация результатов работы
Частично работа выполнялась в рамках
грантов РФФИ:
− № 09-02-00932-а «Исследование условий возбуждения и распространения
плазмон-поляритонов
и
5
волноводных
широкозонных
диэлектриках
при
воздействии
фемтосекундного лазерного излучения», 2009 - 2011 гг.;
− № 10-02-00208-a «Модификация структуры стеклокристаллических тонких
слоев под действием сверхкоротких импульсов лазерного излучения», 2010-2012;
− № 12-02-01194-а «Структурное моделирование воздействия ультракоротких
лазерных импульсов на сильно поглощающие полупроводники», 2012 - 2014 гг.;
− 12-02-00974-а Исследование роли положительных и отрицательных обратных
связей в процессе лазерной наномодификации тонких металлических пленок,
2012 - 2014 гг.;
− № 13-02-00033-а «Исследование возможностей создания нанокомпозитных
областей в системе SiO2/Si под действием ультракоротких импульсов лазерного
излучения» 2013 - 2015 гг.;
государственных контрактов:
− П1134 от 27 августа 2009 «Новый класс явлений структурно–фазовой
перестройки
в
стеклокристаллических
средах
под
действием
лазерного
излучения» , 2009-2011;
Создана программа для моделирования нагревания металла при
воздействии ультракоротких лазерных импульсов с учетом эмиссии
электронов.
Написана программа для компьютерного моделирования окисления
тонкой металлической плёнки на стеклянной подложке под действием
одиночных и серии ультракоротких лазерных импульсов.
Результаты использованы в курсе лекций «Взаимодействие лазерного
излучения с веществом» для магистров, обучающихся по магистерской
программе 200200.68 «Лазерные микро- и нанотехнологии».
поверхностных
и
мод
в
металлах,
− № 11.519.11.4017 от 21 октября 2011 г. «Лазерная модификация и
структурирование
твердых
тел
как
метод
создания
новых
элементов
информационно-коммуникационных систем», 2011-2013 гг.;
гранта Президента Российской Федерации для поддержки ведущих
научных
школ
№
НШ-619.2012.2
«Фундаментальные
основы
лазерно–
индуцированных процессов локальной структурно-фазовой перестройки в
стеклокристаллических средах» 2012 - 2014 гг.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на 3 международных и 11
российских научных конференциях и семинарах:
XXXVIII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО,
СПб, 03 - 06 февраля 2009; VI Всероссийская межвузовская конференция
молодых ученых, СПб, 14 - 17 апреля 2009; XXXIX научная и учебнометодическая конференция СПбГУ ИТМО, СПб, 02 - 05 февраля 2010; VII
6
Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 20 - 23
апреля 2010; International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro& Nanotechnologies" (FLAMN-10), Saint-Petersburg-Pushkin, 05 - 08 july 2010;
XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, СПб, 01 04 февраля 2011; VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых
ученых, СПб, 12 - 15 апреля 2011; VII международная конференция
молодых ученых и специалистов «Оптика-2011», СПб, 17 - 21 октября 2011;
ХLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 31
января - 03 февраля 2012; I Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб,
10 - 13 апреля 2012; X International Seminar "Mathematical Models &
Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced Science Technologies",
Petrovac, Montenegro, 26 may - 01 june 2012; ХLII научная и учебнометодическая конференция НИУ ИТМО, СПб, 29 января - 1 февраля 2013; II
Всероссийский конгресс молодых ученых, СПб, 9 - 12 апреля 2013;
International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro - &
Nanotechnologies" (FLAMN-13), Saint-Petersburg-Pushkin, 24 - 28 june 2013.
импульсов на металлы. В разделе 1.1 представлено описание поглощения
лазерного излучения и нагревания металла ультракороткими лазерными
импульсами. Раздел 1.2 посвящен анализу механизмов лазерного окисления
металлов. В разделе 1.3 приведены основные результаты работ по фото- и
термоэмиссии электронов. В разделе 1.4 сформулированы выводы по
обзору, цели и задачи работы.
Вторая глава посвящена исследованию роли эмиссии электронов при
воздействии ультракоротких лазерных импульсов на металлы.
В разделе 2.1 приведено описание предложенных физической и
математической моделей нагревания металлов при воздействии
ультракоротких лазерных импульсов.
В основу модели положена двухтемпературная модель [4]:
Структура и объем диссертации
где λe, λi, ce, ci – теплопроводность и теплоемкость электронов и ионов; β ei –
Диссертация
4 приложений.
состоит
Материалы
из
введения,
изложены
на
трех
130
глав,
заключения
страницах,
и
включая
14 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 93 наименований.
Личный вклад автора
Постановка задачи осуществлялась совместно с научным
руководителем. Все результаты получены лично автором либо при его
непосредственном участии, анализ результатов проводился совместно с
научным руководителем. Публикации подготовлены совместно с
соавторами.
Краткое содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность исследований, изложены цели,
задачи и научная новизна работы, сформулированы основные положения,
выносимые на защиту, определена структура диссертации.
В первой главе приведен аналитический обзор литературных данных
о процессах, происходящих при воздействии ультракоротких лазерных
7
ce (Te , n )
∂Te ∂ 
∂T 
− λe (Te , n ) e  = − β ei (Te , n) (Te − Ti ) + qv ,
∂t ∂z 
∂z 
∂T ∂  ∂T 
ci i − λi i  = β ei (Te , n) (Te − Ti ) ,
∂t ∂z  ∂z 
,
(1)
коэффициент теплообмена между электронным газом и решеткой, qv –
-az
поглощенная плотность мощности лазерного излучения q=qla(1-R)e
–
поглощенная плотность мощности, α – коэффициент поглощения, ql –
плотность мощности лазерного излучения, R – коэффициент отражения.
Начальные и граничные условия:
Te t =0 = Ti t =0 = Tn , Te
z = z max
= Ti
z = z max
= Tn , −λTe (Te , ne )
∂Te
∂z
= qe , −λTi
z =0
∂Ti
∂z
= 0,
(2)
z =0
где qe – тепловой поток, уносимый эмитированными электронами, Tn –
начальная температура.
В расчетах учтены зависимости теплофизических свойств металла от
температуры и концентрации электронов. Коэффициент поглощения
металлов зависит только от концентрации свободных электронов:
α(ne)=(α/ne0)ne, ne0 – начальная концентрация свободных электронов.
8
Изменение концентрации электронов nе описано уравнением:
Поле, возникшее вследствие разделения зарядов, может достигать
значений, превышающих энергию связи атомов, что приводит к
кулоновскому взрыву. Для определения начала кулоновского взрыва
электрическое поле (8) сравнивается с критической напряженностью,
необходимой для удаления атома из металла [5]:
2
∂ne
∂n
− D 2e = 0
∂t
∂z
(3)
c начальными и граничными условиями:
ne t =0 = ne 0 , ne
23
z = z max
(4)
= ne 0 ,
-3
где ne0=10 см , D – коэффициент диффузии.
Эмиссия электронов учтена в граничном условии:
−D
∂ne
∂t
= qv , qv = qvTh + qv Ph ,
Eth| z =0 =
где
(5)
z =0

ϕe 
exp  −
 exp(− z / le )
 k BTe z =0 
(6)
концентрация атомов (см-3),
Λ at =2,951 Дж/атом
– теплота
до момента начала кулоновского взрыва.
На рисунке 1 приведены временные зависимости концентрации
электронов при различных формах импульса. Максимальная скорость
фотоэмиссии соответствует максимальной плотности мощности. Видно, что
форма импульса существенным образом влияет на динамику процессов.
– поток термоэмиссии электронов, определяемый законом Ричардсона (kR –
постоянная Ричардсона, φe – работа выхода электронов.
∞
qv Ph = ∫ σ m J m exp ( − z le )dz
(9)
сублимации, ε =4.9 – относительная диэлектрическая проницаемость
серебра, ε 0 =8.854·10-14 – электрическая постоянная (Ф/см). Расчет проведен
z =0
qvTh = k RTe2
n0 –
2Λ at n0
,
εε 0
(7)
∂E qe
=
( ni − ne ) .
∂z εε 0
(8)
4x10
13
3x10
1
1
13
6x10
13
0,996
13
4x10
12
5,0x10
2x10
17
3
0
0,05
0,10
0,994
0,15
4x10
11
3x10
17
1x10
17
1x10
0,996
0
0,00
t, пс
2x10
11
3
0
17
11
2x10
0,997
2
1x10
0,0
3x10
11
0,999
2x10
2
2x10
11
5x10
1,000
0,998
13
13
0,00
4
ne th, см-3
1,0x10
13
4x10
17
ne ph, см-3
0,998
13
17
6x10
N, см-3 *1023
8x10
13
1,5x10
q, Вт/см2
13
определяет вероятность вылета электронов с глубины z [4]. При ћω=1,55 эВ
для серебра (работа выхода φe=4,28 эВ) поглощение трехфотонное. При
расчете фотоэмиссии считаем, что все свободные электроны, участвующие
в многофотонном процессе и достигшие поверхности без потери энергии,
покидают металл.
Эмиссия электронов приводит к накоплению положительного заряда
на поверхности металла и к возникновению электрического поля. Для
расчета электрического поля, создаваемого в результате нарушения
квазинейтральности в облученной области, решается уравнение [5]:
1,000
ne th, см-3
14
1x10
4
ne ph, см-3
14
1x10
N, см-3 *1023
– поток электронов (см-2/сек), обусловленный фотоэмиссией для mфотонного поглощения, J – поток квантов, поглощенных металлом, J=q/ħω,
σm – сечение многофотонного поглощения σ m = σ 1m neτ 0m −1 , exp ( − z le )
q, Вт/см2
0
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0
0,25
t, пс
а
б
Рисунок 1. Зависимости концентрации электронов (2) и концентраций
эмитируемых за счет фото- neph (3) и термоэмиссии neth (4) электронов от
времени. Форма импульса (1) (a) q=qm(t/tm)exp(-t/tm), tm=100 фс,
(б) q=qmexp(-(t-tm)2/tm12), tm=100 фс, tm1=50 фс
Градиент концентрации электронов приводит к возникновению
электрического поля, которое растет и достигает значения Eth|x =0 , начинается
кулоновский взрыв (рисунок 2.а). На рисунке 2.б показана зависимость
9
10
1x10
3
13
8
4x10
8
0,998
3x10
8
2x10
8
0,997
1x10
8
0,999
4
0,996
0
0,00
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
t, пс
15
5,0x10
а
б
Рисунок 2. (а) Зависимость электрического поля E (1), возникшего
вследствие эмиссии электронов, от времени, пороговое значение поля Eth
(2) соответствует началу кулоновского взрыва. Форма импульса q=qmexp((t-tm)2/tm12), tm=100 фс, tm1=50 фс (3) и концентрация электронов (4) как
функция времени. (б) Зависимость времени начала кулоновского взрыва от
плотности мощности лазерного излучения
В разделах 2.2 и 2.3 описаны алгоритм вычислений и результаты
численного эксперимента.
Численный эксперимент показал, что возникновение кулоновского
взрыва во время воздействия фемтосекундного импульса в металлах требует
такой высокой плотности мощности падающего излучения, при которой
начинает сказываться поглощение на эмитированных электронах, механизм
разрушения изменяется [6], поэтому реализация кулоновского взрыва в
металлах
на
практике
маловероятна,
что
подтверждается
экспериментальными результатами из литературы [7].
В третьей главе рассмотрено окисление металлов при воздействии
ультракоротких лазерных импульсов. Раздел 3.1 посвящен анализу
образования окисла металлов при воздействии одиночного ультракороткого
лазерного импульса. Показано, что модели поверхностного и объемного
окисления не описывают адекватно экспериментальные результаты по
11
16
1,0x10
q, Вт/см2
8
7
6
5
4
3
2
1
0
hCrO2фото,нм
2x10
13
1
5x10
окислению пленки хрома на стеклянной подложке одиночными
фемтосекундными импульсами [3].
Учитывая важную роль процессов, происходящих в электронной
подсистеме [4, 8], рассмотрено влияние на процесс окисления термо- и
фотоэлектронной эмиссии.
Температура при нагревании ультракороткими лазерными импульсами
определяется из решения системы уравнений теплопроводности для пленки
и подложки (для нагревания пленки использована двухтемпературная
модель аналогично уравнению (1)). Для оценочных расчетов
предполагалось, что вылетевший с поверхности в результате термо- или
фотоэмиссии электрон возбуждает молекулу кислорода, адсорбированного
на поверхности пленки хрома, в результате чего молекула кислорода
вступает в реакцию с атомом хрома с образованием окисла CrO2.
Поток электронов, обусловленный термоэмиссией, определяется
законом Ричардсона, уравнение (6). Поток электронов, вылетевших с
поверхности металлической пленки за счет многофотонной фотоэмиссии,
рассчитывается по закону фотоэффекта, выражение (7). Для хрома и
энергии кванта ħω=1,55 эВ сечение поглощения σ5 = 9.541·10-128 см7c4. Рост
окисла на поверхности ограничен поверхностной плотностью молекул
адсорбированного кислорода, nO2=1,0844 см-2 – начальное значение
(мономолекулярный слой).
На рисунке 3 показан рост окисла на поверхности пленки хрома при
учете электронного возбуждения.
hCrO2термо,нм
13
1,000
t CE, пс
3x10
2
E, В/см2
13
N, см-3 *1023
4x10
q, Вт/см2
времени начала кулоновского взрыва от плотности мощности лазерного
излучения, видно, что зависимость нелинейна.
2,5x10
-10
2,0x10
-10
1,5x10
-10
1,0x10
-10
5,0x10
-11
0,0
1
2
3
4
5
1
6
2
3
4
5
6
№ импульса
№ импульса
a
б
Рисунок 3. Зависимость толщины слоя окисла CrO2 от числа лазерных
импульсов для частоты следования импульсов 10 Гц (длительность
импульса 100 фс, средняя мощность 2 мВт): а - образующегося при участии
12
термоэлектронной эмиссии;
фотоэлектронной эмиссии
б
-
образующегося
при
участии
Толщина окисла CrO2, образующегося при влиянии термоэлектронной
эмиссии составляет единицы нанометров, что близко к экспериментальным
результатам [3].
Раздел 3.2 посвящен анализу роста окисла металлов при воздействии
фемтосекундных лазерных импульсов с мегагерцовой частотой следования.
Особенностью многоимпульсного воздействия на тонкую пленку при
высокой частоте следования импульсов является увеличение максимальной
температуры от импульса к импульсу вследствие неполного остывания
пленки между импульсами и накопления тепла в подложке. Для
моделирования окисления, происходящего при воздействии серии
ультракоротких лазерных импульсов с высокой частотой повторения
(80 МГц в эксперименте из [3] (длительность импульса 100 фс, средняя
мощность 250 мВт)) было учтено поверхностное и объемное окисление, а
так же вклад эмиссии электронов как при окислении одиночным импульсом
(рисунок 4.а).
Для описания поверхностного окисления применяется Вагнеровский
закон [2]:
dH B
 T 
= exp  − a  ,
dt H
 T 
(10)
где В – константа параболического окисления, Ta- энергия активации
диффузионных процессов, выраженная в Кельвинах, t – время. Для
образующихся окислов хрома: TaCrO2=32500 К [2], TaCr2O3=50000 К,
BCrO2=0,3 см2/с [2], BCr2O3=0,4 см2/с. Реакции являются экзотермическими, их
тепловой эффект QCrO2=34650 Дж/см3 и QCr2O3=59446 Дж/см3.
Рассмотрены следующие реакции взаимодействия хрома с кислородом:
o
400 C
Cr + O 2 
→ CrO 2 ,
(11)
o
(12)
510 C
4CrO 2 
→ 2Cr2O3 + O 2 .
13
Концентрации реагентов и продуктов реакций могут быть оценены на
основе закона действующих масс для реакций (11) и (12) [9]:
∂nCr (t )
= −k2 nCr (t )nO2 (t ),
∂t
∂nO2 (t )
= −k2 nCr (t )nO2 (t ) + k1nCrO2 (t ) / 4,
∂t
∂nCrO2 (t )
= k2 nCr (t )nO2 (t ) − k1nCrO2 (t ),
∂t
∂nCr2O3 (t )
= k1nCrO2 (t ) / 2,
∂t
(13)
где nCr , nO , nCrO , nCr O - концентрации атомов хрома и молекул кислорода,
2
2
2
3
растворенного в пленке хрома и образующихся оксидов хрома
0
=8,329⋅1022 см-3, nO0 =1⋅1022 см-3); k1, k2 – константы скорости для
( nCr
2
мономолекулярной и бимолекулярной реакций, соответственно.
Константы скорости реакций (11) и (12), соответственно,
определяются по закону Аррениуса [9]:
 E 
 E 
k1 = k10 exp  − a1  ⋅ ke , k2 = k20 exp  − a 2  ⋅ ke ,
RT
e 

 RTe 
(14)
где k10 ≈ 1011с-1, k20 = k10·V*≈ 1011·10-23=10-12см3/с – «нормальные» значения
предэкспоненциальных множителей [9] для мономолекулярной и
бимолекулярной реакции в твердой фазе, V*≈ 10-23см3 – реакционный объем
[9], энергии активации реакций EaCrO2=2,5·104 Дж/моль, EaCr2O3=1,21·106
Дж/моль, ke – вероятность возбуждения ионов высокоэнергетичными
электронами.
Была сделана оценка влияния термо- и многофотонной ионизации
ионов решетки хрома на объемное окисление. Концентрация окислов
растет, но достигает очень малых значений порядка 10-6 см-3 для термо- и
10-11 см-3 для фотоэмиссии, что обусловлено высокой энергией ионизации.
14
6x10
-5
5x10
-5
4x10
-5
-5
3x10
hCr2O3 2x10-5
1x10
0
0
-5
5x10
21
4x10
21
11
7x10
nCrO2
11
5x10
3x10
21
2x10
21
1x10
21
11
4x10
11
3x10
nCr2O3 2x1011
11
1x10
0
0
0
200000 400000 600000 800000
11
6x10
200000 400000 600000 800000
№ импульса
№ импульса
а
б
Рисунок 4. Зависимость (а) толщины слоя окисла и (б) концентрации
молекул окисла в пленке от числа лазерных импульсов для частоты
следования импульсов 80 МГц
Расчет, проведенный в соответствии с экспериментальными данными
[3], показал, что при воздействии серии ультракоротких лазерных
импульсов с частотой следования импульсов 80 МГц происходит
накопление тепла в пленке и подложке от импульса к импульсу, окисление
описывается параболическим Вагнеровским законом [2], как при
длительном воздействии, вклад других механизмов оказывается
незначительным по сравнению с тепловым механизмом роста окисла.
В заключении дано общее описание полученных результатов, а так же
показана научная новизна, актуальность и практическая ценность работы.
Основные выводы и результаты работы
n Cr2O3, см-3
-5
n CrO2, см-3
hCrO2
7x10
h Cr2O3, нм
h CrO2, нм
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
начинает сказываться поглощение на эмитированных электронах, механизм
разрушения изменяется [6], поэтому реализация кулоновского взрыва в
металлах
на
практике
маловероятна,
что
подтверждается
экспериментальными результатами из литературы [7].
Поставлена и численно решена задача об окислении тонких
металлических пленок под действием ультракоротких лазерных импульсов.
Проверена применимость моделей поверхностного и объемного окисления в
случае воздействия ультракоротких лазерных импульсов, а также оценено
влияние
многоквантовой
ионизации
и
возбуждения
атомов
высокоэнергетичными электронами на процесс окисления.
Проведенный анализ показал, что при воздействии серии
ультракоротких лазерных импульсов с низкой частотой повторения, когда
пленка успевает остыть между импульсами, или одиночных импульсов
существенное влияние на рост окисной пленки оказывает термоэлектронная
эмиссия с поверхности хрома. Толщина окисла CrO2, образующегося при
влиянии термоэлектронной эмиссии составляет единицы нанометров, что
близко к экспериментальным результатам [3]. Результаты расчетов по
модели объемного окисления показали, что образуется высокая
концентрация CrO2 и незначительное количество Cr2O3. Так же на основе
полученных результатов можно сделать вывод, что модель поверхностного
окисления не применима для описания окисления при воздействии
одиночных ультракоротких лазерных импульсов.
При воздействии серии ультракоротких лазерных импульсов с высокой
частотой следования импульсов происходит накопление тепла в пленке и
подложке от импульса к импульсу, окисление описывается параболическим
Вагнеровским законом [2], как при длительном воздействии, вклад других
механизмов оказывается незначительным по сравнению с тепловым
механизмом роста окисла.
В работе проанализированы особенности лазерного воздействия
ультракоротких лазерных импульсов на металлы.
В численном эксперименте изучено влияние эмиссии электронов на
свойства металлов при облучении фемтосекундным лазерным импульсом.
Эмиссия слабо влияет на нагревание металла. При воздействии
фемтосекундных лазерных импульсов термоэлектронная эмиссия
увеличивается с температурой электронов и преобладает над фотоэмиссией
в отличие от пикосекундных воздействий, когда фотоэмиссия значительна.
Численный эксперимент показал, что возникновение кулоновского
взрыва во время воздействия фемтосекундного импульса в металлах требует
такой высокой плотности мощности падающего излучения, при которой
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах
15
16
По перечню ВАК:
Яковлев Е.Б., Свирина В.В., Сергаева О.Н. Особенности плавления
металлов при действии ультракоротких лазерных импульсов// Изв. ВУЗов.
Приборостроение– 2010. – №4. – С. 57-63.
1.
Яковлев Е.Б., Сергаева О.Н., Свирина В.В. Влияние эмиссии
электронов на нагревание металлов фемтосекундными лазерными
импульсами// Оптический журнал– 2011. – T. 78. – № 8. – С. 24-28.
2.
В индексируемых зарубежных изданиях:
3.
Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Effect of electron emission on
solids heating by femtosecond laser pulse // Proc. of SPIE – 2011. - Vol. 7996. P. 79960U-1 - 79960U-7.
4.
Dyukin R.V., Martsinovskiy G.A., Sergaeva O.N., Shandybina G.D.,
Svirina V.V., Yakovlev E.B. Interaction of femtosecond laser pulses with solids:
electron/phonon/plasmon dynamics // Laser Pulses – Theory, Technology, and
Applications / ed. Peshko I. – Croatia: InTech. – 2012. – Chapter 7. – P. 197-219.
Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:
Яковлев Е.Б., Свирина В.В., Сергаева О.Н. «Программа расчета
температуры металла при нагревании лазерным ультракоротким импульсом
с учетом эмиссии электронов и зависимости свойств металла от
температуры» № 2013613740 от 15.04.2013 г.
6.
Яковлев Е.Б., Свирина В.В., Сергаева О.Н. «Программа для
моделирования процессов плавления и кристаллизации металлов при
воздействии ультракоротких лазерных импульсов» № 2013616981 от
30.07.2013 г.
5.
Другие публикации:
Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Modeling of metals melting
and cristallization under the action of ultrashort laser pulse // Mathematica
Montisnigri – 2012. - Vol XXIV. – P. 24-28.
8.
Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Effect of electron emission on
solids heating by femtosecond laser pulse // Abstracts of International Conference
“Fundamentals of Laser Assisted Micro– and Nanotechnologies” (FLAMN-10). –
Saint-Petersburg: 2010. – P. 48.
9.
Sergaeva O.N., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Modeling of thin metallic
films oxidation under the ultrashort laser pulse action // Abstracts of International
Conference “Fundamentals of Laser Assisted Micro– and Nanotechnologies”
(FLAMN-13). – Saint-Petersburg: 2013. – P. 127-128.
7.
17
Свирина В.В., Сергаева О.Н. Численное моделирование лазерного
плавления металлов ультракороткими импульсами // Сборник трудов
конференции молодых ученых, Выпуск 3. Оптоинформатика, наносистемы
и теплотехника. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – С. 53-58.
11. Свирина В.В., Сeргаева О.Н. Исследование влияния эмиссии
электронов на лазерное нагревание материалов фемтосекундными
импульсами // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых,
Выпуск 1. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – С. 130-131.
12. Свирина В.В., Сергаева О.Н. Инженерные оценки результатов
воздействия ультракоротких лазерных импульсов на материалы // Сборник
тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2.– СПб:
СПбГУ ИТМО, 2011. – С. 190-191.
13. Свирина В.В., Сергаева О.Н. Моделирование окисления тонких
металлических пленок при воздействии ультракоротких лазерных
импульсов // Сборник трудов VII Международной конференции молодых
ученых и специалистов «Оптика-2011».– СПб: НИУИТМО, 2011. –
С. 528-529.
14. Свирина В.В., Сергаева О.Н. Анализ плавления и кристаллизации
металлов при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Сборник
трудов VII Международной конференции молодых ученых и специалистов
«Оптика-2011». – СПб: НИУИТМО, 2011. – С. 529-531.
15. Свирина В.В., Сергаева О.Н. Кристаллизация металлов после
плавления ультракороткими лазерными импульсами // Сборник тезисов
докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. – СПб: НИУ ИТМО,
2012. – С. 179-180.
16. Sergaeva O.N. Modeling of metals melting and cristallization under the
action of ultrashort laser pulse // Abstracts of X International Seminar
"Mathematical Models & Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced
Science Technologies". – Petrovac, Montenegro, 2012. – P. 8.
17. Сергаева О.Н., Свирина В.В. Анализ процесса окисления тонких
металлических пленок при воздействии ультракоротких лазерных
импульсов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых,
Выпуск 2. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – С. 231-232.
10.
18
Цитированная литература
1. 3D лазерные информационные технологии / Твердохлеб П.Е., Коронкевич В.П., Полещук А.Г. и др. – Новосибирск: Изд. ИАЭ, 2003. – 550 с.
2. Либенсон М. Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические
процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. – СПб.:
Наука, 2007. – 423 с.
3. Вейко В.П., Иванов А.И., Ярчук М.В. Исследование низкопороговых
механизмов модификации структуры тонких пленок хрома под действием
сверхкоротких лазерных импульсов // Оптический журнал – 2011. – Т. 78. –
№ 8. – С. 56-64.
4. Dyukin R.V., Martsinovskiy G.A., Sergaeva O.N., Shandybina G.D., Svirina
V.V., Yakovlev E.B. Interaction of femtosecond laser pulses with solids:
electron/phonon/plasmon dynamics // Laser pulses – theory, technology, and
applications / ed. by I. Peshko. – Croatia: InTech. – 2012. – Chapter 7. –
P. 197-219.
5. Bulgakova N.M., Rosenfeld A., Ehrentraut L., Stoian R., Hertel I.V. Modeling
of Electron Dynamics in Laser-Irradiated Solids: Progress Achieved Through a
Continuum Approach and Future Prospects // Proc. SPIE. – 2007. – Vol. 6732. –
P. 673208-673223.
6. Лачко И.М. Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы,
сформированной фемтосекундным лазерным импульсом: Роль примесного
слоя: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.21 / Лачко Илья
Михайлович – М., – 2006. – 22 с.
7. Upadhyay A.K., Inogamov N.A., Rethfeld B., Urbassek H.M. Ablation by
Ultrashort Laser Pulses: Atomistic and Thermodynamic Analysis of The
Processes at the Ablation Threshold // Phys. Rev. B. – 2008. – Vol. 78. –
P. 045437-1-10.
8. Gamaly E.G. The physics of ultra-short laser interaction with solids at nonrelativistic intensities // Phys. Rep. – 2011. – Vol. 508 – P. 91-243.
9. Замараев К.И. Химическая кинетика: курс лекций: [в 3 ч.] – Новосибирск:
Изд. НГУ, 2004. Ч.1. – 108 с.; Ч.2. – 102 с.; Ч.3. – 105 с.
Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении
«Университетские телекоммуникации»
197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14.
Тел. (812) 233 46 69. Объем 1,0 у.п.л.
Тираж 100 экз.
19