Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 2, с. 116-120
© 2009 г. 25 июля
Фемтосекундная лазерная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана
Е. В. Голосов, В. И. Емельянов*, А. А. Ионии*, Ю. Р. Колобов, С. И. КудряшовА. Е. Лигачев4, Ю. Н. Новоселов*, Л. В. Селезнев*, Д. В. Синицын*
Белгородский государственный университет, 308015 Белгород, Россия
+ Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 119992 Москва, Россия * Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия vИнститут общей физики им. A.M. Прохорова РАН, 117942 Москва, Россия Поступила в редакцию 28 мая 2009 г.
Одномерные квазипериодические структуры с периодом, многократно меньшим длины волны возбуждающего излучения, получены на поверхности титана при многоимпульсном воздействии линейно поляризованного фемтосекундного лазерного излучения с различной поверхностной плотностью энергии. С увеличением плотности энергии излучения наблюдается эволюция одномерного поверхностного нанорельефа, ориентированного перпендикулярно поляризации излучения, от квазипериодических на-норазмерных бороздок абляционной природы до регулярных решеток с субволновыми периодами (100400 нм), причем, в отличие от предшествующих работ для различных металлов, в случае титана отмечается уменьшение периода решеток с ростом плотности энергии. Формирование указанных поверхностных наноструктур объясняется интерференцией электрических полей падающего лазерного излучения и возбуждаемой им поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), поскольку длина ПЭВ для титана с существенным межзонным поглощением падает по мере роста уровня электронного возбуждения материала.
РАСБ: 79.20.Ds, 81.07.-b, 81.16.-c
1. В последние годы было обнаружено, что многоимпульсное воздействие фемтосекундного лазерного излучения видимого и ближнего ИК диапазона на поверхности твердых материалов позволяет воспроизводимо получать субволновые (период А = 70^900 нм< А , где А - длина волны возбуждающего лазерного излучения) одномерные квазипериодические наномасштабные структуры (нано-решетки) [1-8]. Такие нанорешетки на поверхностях самых различных материалов интересны тем, что наномасштабная периодичность зачастую придает поверхности необычные физические или физико-химические свойства, непрерывно изменяющиеся в зависимости от А [4], а также как источники наночас-тиц [1,3,4-6]. Необходимость регулирования периода нанорешеток А в широких пределах с помощью параметров лазерного излучения и выбора материалов для записи инициировала ряд исследований влияния на величину А лазерной поляризации (вектор е), длины волны А и длительности импульса, поверхностной плотности энергии Р, а также числа воздействующих импульсов N [1-8]. В частности, было обнаружено,
Ч e-mail: sikudresci.lebedev.ru
что волновой вектор нанорешеток q всегда коллине-арен е, а период решеток А линейно увеличивается с ростом А для фемто- и коротких пикосекундных лазерных импульсов в довольно ограниченном диапазоне, охватывающем видимую и ближнюю ИК области [6,7]. Более широкие, на первый взгляд, возможности варьирования А представляют изменение параметров Р (в пределах нескольких порядков) [8] и N (в пределах нескольких порядков) [7], однако предшествующие работы показали, что А практически не изменяется [3,4] или монотонно увеличивается с ростом поверхностной плотности энергии Р [5,8], тогда как длительность воздействия излучения на поверхность обычно позволяет лишь развить первоначально зародившуюся на ней наноструктуру [2,6-7]. Указанный характер взаимосвязи А и Г затрудняет формирование представляющих интерес для современных на-нотехнологий развитых одномерных нанорешеток с минимальными возможными периодами, поскольку наномасштабный транспорт вещества резко уменьшается при меньших плотностях энергии. В этой связи, существует необходимость поиска новых режимов и материалов для фемтосекундной лазерной записи субволновых одномерных нанорешеток, кото-
рые позволили бы эффективно создавать одномерные поверхностные нанорешетки как самых минимальных, так и максимальных размеров.
В настоящей работе с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с увеличением до 100000 х исследованы субволновые одномерные квазипериодические наноструктуры, записанные под действием фемтосекундных лазерных импульсов с различной поверхностной плотностью энергии на полированной поверхности химически чистого титана - одного из основных материалов авиакосмической промышленности и медицины имплантантов.
2. В наших экспериментах использовалась экспериментальная установка, включающая в себя титан-сапфировый лазер (Авеста Проект) с импульсами фундаментального излучения (центральная длина волны - 744 нм, ширина полосы генерации на полувысоте - около 15 нм) длительностью около 80 фс (на полувысоте) и энергией до 8мДж [9]; поперечное пространственное распределение лазерного поля соответствовало ТЕМоо моде. Лазерное излучение в нормальном падении подфокусировалось в пятно диаметром 1.2 мм (на уровне 1/е2) на поверхности мишени (полупруток, диаметр 8 мм) из химически чистого, многократно отожженного и механически полированного (rms< 50 нм) титана марки ВТ1-0 со средним размером зерна 0.25 мкм (Центр нанострук-турных материалов и технологий БелГУ), расположенной на трехмерной моторизованной подвижке с компьютерным управлением. Энергия лазерных импульсов регулировалась и контролировалась соответственно с помощью отражательного поляризационного ослабителя (Авеста Проект) и калиброванного фотодиода DET-210 (Thorlab), засвечиваемого слабым лазерным бликом через поворотное диэлектрическое зеркало. Запись наноструктур производилась путем сканирования поверхности титановой мишени со скоростью движения 20мкм/с при небольших энергиях лазерного излучения (< 0.5 мДж, пиковая мощность W < 4ГВт), чтобы избежать заметной деградации распределения плотности энергии на поверхности мишени, связанной с самофокусировкой в воздухе (критическая мощность самофокусировки WCT и ЗГВт [10]) и сопутствующими ей эффектами хроматической эмиссии, филаментации и рассеяния на плазме [10,11].
3. В ходе записи наноструктур при низких плотностях энергии F к, 17мДж/см2 и числе падающих импульсов N к, 500 на поверхности мишени титана отмечается формирование квазипериодических (средний период А и 0.4мкм), хорошо выраженных узких (Ä < 0.1 мкм) бороздок с волновым векто-
ром д = 2тг/Л), коллинеарным векторам поляризации излучения е и направления сканирования V (рис.1а). Поверхность самой мишени вне бороздок
Рис.1. СЭМ снимки наноструктур, записанных на сухой поверхности титана для различных значений плотности энергии Г [мДж/см2]: 17 (а), 25 (Ь), 33 (с) и 250 ((1). Стрелки показывают на каждом снимке совпадающие направления вектора поляризации лазерного поля е, волнового вектора наноструктур q и вектора скорости движения мишени V, а штриховыми окружностями выделены примеры особенностей нанорельефа - абляционных фрагментов, их хлопьевидных кластеров и нано-частиц
не содержит каких-либо следов удаления собственного материала, но загрязнена переосаждением фрагментов продуктов абляции из бороздок. При более высоких значениях Р к, 25^350 мДж/см2 и том же фиксированном значении N на поверхности формируются хорошо выраженные нанорешетки с д || е,у и субволновыми периодами в диапазоне 0.2-0.4 мкм (рис.1Ь-с1), хотя с ростом Р наблюдается постепенная деградация качества штрихов (с их вырождением в линейные последовательности нанопичков при .Р > 400 мДж/см2). Так, уже при промежуточных значениях Р решетки содержат хлопьевидные следы переосаждения материала (рис.1Ь), а во всем диапазоне Р на штрихах решеток видны фрагменты (на-ночастицы) округлой (капельной) формы, указывающей, по-видимому, на сверхкритическую термическую, а не докритическую (откольную) природу абляции [12]. Действительно, в таком случае можно ожидать конденсации паро-капельных продуктов абляции при их газодинамическом разлетном расширении из узких нанодолин рельефа поверхности (рис.1). Однако особый же интерес представляет монотонно убывающая зависимость А(Р) (рис.2), явно противо-
0.50
^ (7/сш )
Рис.2. Периоды нанорешеток Л на сухой (темные квадраты) и влажной (темные круги) поверхности титана в зависимости от плотности энергии Р
речащая результатам предыдущих исследований для других металлов [3,8]. Следует отметить, что факт двукратного уменьшения с ростом Е периода наноструктур, записанных на поверхности титана с помощью ИК фемтосекундных лазерных импульсов, ранее уже упоминался в литературе [13], но относился к двумерным пичковым структурам реконденсаци-онного типа и связывался в последнем случае (в рамках модели поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ)) с удвоением периода диссипативных поверхностных наноструктур.
В нашем случае выраженная ориентация полученных поверхностных наноструктур перпендикулярно поляризации лазерного излучения, квазипериодичность начальных нанобороздок (рис.1а) и высокоэнергетический характер локальной абляции в области нанобороздок в отсутствие видимой абляции самой поверхности материала явно указывают на локальное усиление электрического поля фемтосекунд-ного лазерного излучения на поверхности, что наиболее вероятно в случае возбуждения ПЭВ [1,3,57,13-14]. При генерации ПЭВ, интерферирующей с падающей на поверхность световой волной с длиной волны А, нарастает компонента шероховатости с волновым вектором сх || е и периодом [14]
А = А
(
ы
N1
± sin 9-,,
(1)
где |б1| - модуль действительной части диэлектрической проницаемости материала на длине волны лазерного излучения и в-тс - угол падения излучения на поверхность (в настоящей работе 0ц1С и 0°).
Однако следует отметить, что в настоящей работе при фемтосекундном лазерном воздействии предпо-
лагаемые субволновые периоды модуляции электромагнитного поля на поверхности титана в диапазоне 0.2-0.4 мкм будут соответствовать значениям £\ к, — (1.1—1.5), значительно отличающимся от величины и —3.5 для невозбужденного материала при А и 744 нм [15] (рис.3) с действительной и мнимой
30
б2
25 20 15
10
2 3 4
Йю (еУ)
Рис.3.
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.