ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 4, с. 520-523
УДК 533.9:375.826
ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОИ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОЛИКРИСТАЛЛА CuSbSe2 © 2014 г. М. П. Чучман, Г. Е. Ласлов, А. К. Шуаибов
Ужгородский национальный университет, Украина E-mail: mikhailo.chuchman@uzhnu.edu.ua Поступила в редакцию 01.03.2013 г.
Приведены осциллограммы излучения спектральных линий атомов сурьмы и меди из низкоэнергетической лазерной плазмы поликристаллической мишени на основе CuSbSe2 на расстоянии 1 мм от поверхности. Определено время рекомбинации ионов и скорость распространения лазерной плазмы. Проанализированы особенности временной эволюции интенсивности излучения спектральных линий.
DOI: 10.7868/S0040364414040085
ВВЕДЕНИЕ
Изучение динамики излучения лазерной плазмы дает возможность анализировать особенности физико-химических процессов [1] и возможных каналов протекания химических реакций в лазерной плазме [2]. Это используется также для определения скорости распространения лазерного факела и времени рекомбинации ионов. Эмиссионная спектроскопия перспективна для описания не только ионизационного состава лазерной плазмы, но и для пространственно-временной эволюции интенсивности излучения лазерного факела. Эта методика перспективна для диагностики импульсного лазерного напыления тонких пленок сложного состава из лазерной плазмы [3—5]. Усовершенствование технологии напыления из лазерного факела важно, поскольку оно дает возможность сохранить стехиометрию полученного соединения [6], особенно для многокомпонентных соединений. Поликристалл Си8Ъ8е2 благодаря энергии запрещенной зоны 1.2 эВ является перспективным материалом для получения тонких пленок, которые могут использоваться в солнечных батареях. Такие свойства соединения Си8Ъ8е2 дают возможность эффективно поглощать солнечное излучение и вместе с тем увеличивать коэффициент преобразования световой энергии в электрическую. Оптимальное значение энергии запрещенной зоны составляет примерно 1.4 эВ [7].
Поскольку проблема оптимизации параметров пленок для солнечных батарей требует детального изучения процессов в лазерной плазме [8], то в данной работе представлены результаты исследования динамики излучения лазерной плазмы на основе поликристалла Си8Ъ8е2 с высоким временным разрешением.
ТЕХНИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Лазерная плазма формировалась при действии на мишень из поликристаллического образца Си8Ъ8е2 импульсно-периодического излучения неодимового лазера с удельной мощностью Ж = (3—5) х 108 Вт/см2 (при длительности импульса генерации на полувысоте ? = 20 нс, частоте генерации / = 12 Гц, и длине волны излучения X = 1.06 мкм). Экспериментальная установка позволяла исследовать спектры излучения и осциллограммы спектральных линий в диапазоне длин волн 200—600 нм из областей, удаленных от поверхности мишени на расстояние г = 1 мм. Разрешение излучения по длинам волн составляло 0.2 нм при использовании монохроматора МДР-2 с дифракционной решеткой 1200 штр./мм. Калибровка чувствительности системы регистрации позволяла измерять относительные интенсивности спектральных линий. Остаточное давление в вакуумной камере, где располагалась мишень, составляло 7—12 Па. Угол между направлением падения лазерного луча и поверхностью мишени равнялся 60°. Регистрация излучения проводилась поперек лазерного луча. Лазерное излучение фокусировалось в пятно диаметром 0.4 мм линзой с фокусным расстоянием / = 50 см, а отбор излучения лазерного факела осуществлялся линзой с фокусным расстоянием / = 10 см. Временное разрешение составляло 2 нс при измерении осциллограмм интенсивности излучения спектральных линий на расстоянии 1 мм от мишени с помощью электронного линейного умножителя ЭЛУ-14ФС и скоростного осциллографа 6ЛОР-04. Погрешность измерения интенсивности не превышала 10%.
Отождествление спектров излучения плазмы проводилось с использованием справочника [9].
ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
521
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Излучение лазерной плазмы на основе мишени из поликристалла Си8Ъ8е2 включало спектральные линии атомов и однозарядных ионов меди, сурьмы и селена. Спектральные характеристики лазерной плазмы на расстоянии 1 мм от мишени более подробно описаны в работе [4]. В данной работе представлена димамика интенсивности спектральних линий атомов сурьмы и меди.
Осциллограммы интенсивности излучения спектральных линий 259.8 нм, 287.7, 363.7 нм 8Ъ I приведены на рис. 1. Они содержат два максимума. Первый максимум наблюдается при времени I = 7—9 нс, а второй — при 35—39 нс.
Осциллограммы интенсивности излучения спектральных линий 324.8, 327.4, 510.6, 515.3, 521.8 нм Си I приведены на рис. 2. Они также содержат два максимума. Первый максимум наблюдался при I = 10—15 нс, а второй при времени, почти в пять раз большем, I = 40—80 нс. Согласно осциллограммам концентрация частиц меди больше на периферии лазерного факела, при этом большая концентрация частиц сурьмы, судя по интенсивности осциллограмм, находится на переднем фронте и в центре лазерного факела.
Сравнивая интенсивности осциллограмм в максимуме для меди и сурьмы (рис. 1 и 2) можно наблюдать, что интенсивность излучения для сурьмы в четыре раза больше, чем для меди. Доминирующим максимумом на осциллограммах излучения спектральных линий 8Ъ I 363.7 нм (5.69 эВ), Си I 510.6 (3.81 эВ), 515.3 (6.19 эВ), 521.8 нм (6.19 эВ) был первый, а для спектральных линий 8Ъ I 259.8 нм (5.82 эВ), 287.7 нм (5.36 эВ), Си I 324.8 нм (3.81 эВ), 327.4 нм (3.78 эВ) — второй. Анализируя эти осциллограммы, можно видеть, что интенсивность тех линий, для которых доминировал первый максимум, по крайней мере, в пять раз меньше. Сравнивая энергию верхних уровней возбужденных атомов меди и сурьмы, видим, что для меди энергия верхних уровней, из которых наблюдается излучение, больше, чем для сурьмы.
Интенсивность более 25% максимальной интенсивности излучения для сурьмы наблюдалась в течение времени 4—110 нс, а для меди — 11—195 нс, что также вместе с появлением максимумов во времени говорит о специфике пространственного распределения частиц сурьмы и меди в лазерном факеле.
Принимая во внимание, что лазерный факел движется от мишени, по времени появления максимумов на осциллограммах и при фиксированном расстоянии области наблюдения от мишени можно оценить среднюю скорость распространения плазмы. По этим данным средняя скорость распространения лазерной плазмы составляет 62 км/с на расстоянии 1 мм от мишени. Учитывая такую скорость распространения и исходя из времени
I, нс
Рис. 1. Осциллограммы интенсивности излучения спектральных линий 259.8 (1), 287.7 (2), 363.7 нм (3) атомов сурьмы из лазерной плазмы на основе соединения Си8Ъ8е2 на расстоянии 1 мм от поверхности мишени.
наблюдения излучения 350 нс, можно говорить о существенном расширении плазмы при движении и образовании возбужденных состояний на протяжении длительного времени. Таким образом, релаксация плазмы более длительна, чем время формирования плазмы.
Для более детального анализа динамики изменения интенсивности спектральных линий были построены зависимости логарифма интенсивности, нормированной на максимальное значение, от времени. На рис. 3а показана скорость изменения интенсивности спектральных линий 8Ъ I 259.8 нм и 287.7 нм. При разных временах наблюдения изменяются наклоны линейных участков зависимостей. Во временном интервале 75—200 нс для однозарядных ионов сурьмы, время рекомбинации составляет 60 нс. Из рис. 1 следует наличие более плотной плазмы при временах I = 10—100 нс. После I = 200 нс резко начинает уменьшаться интенсивность излучения на переходах из верхних возбужденных состояний атомов, поэтому можно заключить, что плазма быстро охлаждается. После I = 225 нс увеличивается скорость изменения интенсивности в е раз за 41 нс. Для спектральной линии атома сурьмы с энергией верхнего уровня 5.36 эВ эта величина составляет 60 нс. После 200 нс наблюдалась аномалия в зависимости интенсивно-
522
ЧУЧМАН и др.
Рис. 2. Осциллограммы интенсивности излучения спектральных линий 324.8 (1), 327.4 (2), 521.8 (3), 515.3 (4), 510.6 нм (5) атомов меди из лазерной плазмы на основе соединения Си8Ъ8е2 на расстоянии 1 мм от поверхности мишени.
сти излучения от времени, которая указывает на резкое изменение интенсивности. Для последнего участка характерное время изменения интенсивности — 79 нс, что в два раза больше, чем для второй спектральной линии сурьмы. До времени наблюдения ? = 200 нс скорости изменения интенсивности спектральных линий сурьмы различались намного меньше.
На рис. 3б показаны скорости изменения интенсивности спектральных линий Си I 324.8 нм и 521.8 нм во времени. Для временного интервала А? = 150—275 нс время изменения интенсивности переходов с уровня 5.82 эВ составляет 143 нс, что почти в два раза больше времени рекомбинации ионов меди. Этот участок указывает на большую концентрацию ионов с существенным вкладом процесса рекомбинации. После ? = 275 нс начиналось охлаждение лазерной плазмы, что следует из более резкого наклона прямолинейных участков. Этот наклон характеризуется временем изменения интенсивности 79 нс. Более резкий наклон для вы-
?, нс
Рис. 3. Сравнение скоростей изменения интенсивности излучения спектральных линий из лазерной эрозионной плазмы на основе соединения Си8Ъ8е2 на расстоянии 1 мм от мишени: (а) 8Ъ I 287.7 нм (Ев = = 5.36 эВ) - 1; 259.8 нм (Ев = 5.82 эВ) - 2; (б) Си I 324.8 нм (Ев = 3.82 эВ) - 1; 521.8 нм (Ев = 6.19 эВ) -2.
соковозбужденных состояний после ? = 325 нс указывает на постепенное уменьшение рекомбинаци-онных процессов и на преобладание тепловых процессов в плазме.
Сравнивая скорости изменения интенсивности спектральных линий, можно отметить, что их разброс для атомов меди больше, чем для атомов сурьмы.
Доминирование интенсивности излучения атомов сурьмы и меди наблюдается в различных временных интервалах, а из этого следует их преобладание в разных пространственных участках лазерной плазмы. Для временного интервала А? = = 75-180 нс наблюдалось доминирование процесса рекомбинации ионов сурьмы, а доминировани
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.