научная статья по теме ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ СУБВОЛНОВЫХ ОДНОМЕРНЫХ КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА Физика

Текст научной статьи на тему «ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ СУБВОЛНОВЫХ ОДНОМЕРНЫХ КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА»

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.

Показать целиком