ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 97, № 4, с. 674-680
ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
УДК 533.9:543.42
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА
ЛАЗЕРНОЙ ЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ CuSbS2
© 2004 г. А. К. Шуаибов, М. П. Чучман, А. И. Дащенко
Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина E-mail: ishev@univ.uzhgorod.ua Поступила в редакцию 20.03.2003 г.
В окончательной редакции 15.01.2004 г.
Исследованы спектры и динамика излучения плазмы лазерного факела на разных расстояниях от мишени при действии неодимового лазера (W = (3-5) х 108 Вт/см2, т = 20 нс, f = 12 Гц, X = 1.06 мкм) на мишень из поликристаллов CuSbS2. По излучению плазмы оценены средняя температура (<0.82 эВ) и концентрация электронов ((1.82-1.92) х 1016 см-3) в лазерном факеле, времена рекомбинации ионов (ir(S2+) = 15 нс, ir(Cu+) = 65-85 нс), проанализирована эффективность заселения возбужденных уровней атомов. Предложена модель разрушения мишени и эволюции процессов при разлете лазерной плазмы.
ВВЕДЕНИЕ
Метод эмиссионной спектроскопии отличается высокой информативностью, не требует контакта с изучаемым объектом, поэтому все более широко используется в разных областях науки и техники. Информация, полученная с его помощью, значительно дополняет зондовый метод и масс-спектроскопию лазерной плазмы. Особенно перспективным он является при диагностике лазерного напыления пленок сложного состава [1, 2], что на сегодня актуально в связи с получением материалов с наперед заданными свойствами [3].
Быстрые темпы научно-технического прогресса требуют все более качественных материалов с широким набором свойств и минимумом производственных затрат для нужд квантовой и микроэлектроники. Поэтому в поле зрения попадают сложные халькогениды [4, 5] со свойственными им электро-, фото-, термо-, акусто-, пьезо-, сегнетоэффектами, одними из представителей которых являются поликристаллы Си8Ъ82. Мно-гокомпонентность и условия напыления обеспечивают широкие возможности вариации структуры материала, а вместе с тем и физических свойств, но данная проблема требует детального изучения физических и химических процессов в лазерном факеле [6].
Нами предпринята попытка изучить образование и разлет продуктов лазерной эрозии поликристаллического соединения Си8Ъ82 методом эмиссионной спектроскопии с временным и пространственным разрешением.
ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Формирование лазерной плазмы происходило при действии излучения неодимового лазера = = (3-5) х 108 Вт/см2, т = 20 нс, / = 12 Гц, X = 1.06 мкм) на мишень из поликристаллической шихты на основе соединения Си8Ъ82. 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 и 7 мм [7]. Калибровка чувствительности системы регистрации при помощи водородной и вольфрамовой ламп позволяла измерять относительные интенсивности спектральных линий [8]. Остаточное давление в вакуумной камере, где располагалась мишень, не превышало 7 Па. Наклон поверхности мишени к лучу лазера составлял 60°, регистрация излучения проводилась поперек лазерного луча. Фокусировка лазерного излучения в пятно 0.3-0.5 мм и отбор излучения факела осуществлялись линзами с фокусными расстояниями / = 50 и 10 см соответственно. Временное разрешение составляло 2-3 нс, а погрешность измерения интенсивности была равной 10%.
По методике, описанной в работах [9, 10], исходя из полученных оптических характеристик, была проведена оценка температуры и концентрации электронов (Те, пе), времени рекомбинации ионов (¿г), эффективности заселения различных
и
Рис. 1. Спектр излучения лазерной эрозионной плазмы СиБЬ82 (г = 7 мм). Цифры у спектральных линий - длины волн в нанометрах.
энергетических состояний атомов (N/g) в плазме лазерного факела:
N = IX
g = Ag9
_ = Е 2 - Е! е " 1п ( N1 g 2 / N 2 g! ) '
= А г К = А 1п ( ///тах)'
—27 3 -9/2 -1/2
пе = (8.75 х 10 272 гГТеш) ,
(1)
(2)
(3)
(4)
где I, X - интенсивность и длина волны спектральной линии, А - вероятность перехода, g, Е - статистический вес и энергия уровня, Аг - изменение времени, А 1п(///тах) - разность логарифмов интен-сивностей, нормированных на максимальное значение, 2 - заряд иона.
Отождествление спектров излучения плазмы и величина заселенности энергетических уровней находились с использованием справочников [11, 12].
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ
В излучении лазерного факела на основе поликристаллов СиБЬ82 преобладали спектральные линии атомов меди (X < 300 нм) и сурьмы (X < 300 нм). Сера в спектрах излучения проявлялась в виде слабых линий БП, для нее вклад излучения ионов в спектр был больше, чем атомов. Спектр излучения факела из области, удаленной на 7 мм от
мишени, представлен на рис. 1. Результаты расшифровки спектра и относительные интенсивности спектральных линий (I) с учетом чувствительности регистрирующей аппаратуры (кх) приведены в табл. 1.
Сравнивая полученные результаты с аналогичными исследованиями излучения лазерной плазмы на основе чистых элементов Си, БЬ [13, 14], можно отметить, что в случае поликристаллической мишени вклад излучения атомов меди в спектр увеличился при X > 300 нм, а количество спектральных линий, соответствующих переходам с энергетических уровней, образующихся при многоэлектронном возбуждении атомов Си1 (смещенных уровней), и их интенсивность уменьшились. Для БЫ в лазерном факеле на основе соединения СиБЬ82 вклад интенсивности излучения и количество спектральных линий также уменьшились.
Поскольку при умеренной мощности лазера основными продуктами эрозии кристаллической мишени являются однозарядные ионы ее составляющих и комплексные ионы с химическим составом соединения [15], можно предположить, что основным каналом образования возбужденных атомов будут реакции диэлектронной и диссоциативной рекомбинации. При диэлектронной рекомбинации столкновения со свободными электронами приводят к диффузии связанных электронов по близким энергетическим уровням до узкого места, где преобладают излучательные переходы [10]. Энергия узкого места и энергетический зазор между энергией ионизации и наивысшим уровнем, с которого зарегистрировано
Таблица 1. Распределение лазерного факела CuSbS2
интенсивности в спектре
к, нм (атом, ион) Верхний уровень E,, эВ I/kk, отн. ед.
527.9 SI 5pp 1, 0 9.21 0.10
521.8 CuI 4d2D5/2 6.19 1.00
515.3 CuI 4d2D3n 6.19 0.50
510.6 CuI 4P2 P°/2 3.82 0.40
504.7 SII 4P2 P3/2 16.52 0.10
465.7 SII 4P4 S°/2 16.52 0.05
455.3 SII 4p12 P°/2 17.81 <0.05
427.3 CuI 5s14Dv/2 7.74 <0.05
406.3 CuI 5d2D3/2, 5/2 6.87 <0.05
368.5 CuI 4^5/2 9.09 <0.05
327.4 CuI 4p2 P°U2 3.79 0.25
324.8 CuI 4p2 P°/2 3.82 0.20
301.6 SII 4d12GV/2 20.37 0.05
287.8 SbI 5p2(3Pc)6s4P1/2 5.36 0.10
277.0 SbI 5p2(3P1)6s4P3/2 5.69 <0.05
267.1 SbI 5p2(3P1)6s2P5/2 5.69 <0.05
259.8 SbI 5p2(3P1)6s2P1/2 5.82 0.25
252.9 SbI 5p2(3P2)6s2P3/2 6.12 0.10
231.1 SbI 5p2(3P())6s4P1/2 5.36 <0.05
Таблица 2. Положение узкого места Е„ м и энергетический зазор между энергией ионизации Е; и узким местом
Элемент *CuI SbI CuSbS2
*CuI SbI SI
E , эВ ^у. м> J1J E. - E эВ i у. м 9.12 0.7 7.51 1.1 9.09 0.99 6.12 2.5 9.21 2.37
* Энергетический зазор отсчитывался от наивысшего смещенного терма.
излучение, представлены в табл. 2 для чистых элементов и соединения Си8Ъ82.
Энергетический зазор между потенциалом ионизации элемента и узким местом его рекомбина-ционного потока больше в случае лазерной эрозии поликристаллического соединения. Температура электронов больше для лазерного факела чистых элементов [16, 17]. Соотношение между упомянутыми величинами можно выразить как ЕI - Еум = 3/2Те [10]. Полученное несоответствие может быть проявлением конкуренции процессов заселения уровней Си1 и БЪТ при эффективном об-
мене электронами одинаковых энергий. Из табл. 1 также видно, что in situ диагностику лазерного напыления CuSbS2 следует проводить по спектральным линиям CuI в видимой области спектра, а в ультрафиолетовой - по линиям излучения SbI.
Исследования временных характеристик излучения лазерного факела (рис. 2) показали, что наиболее коротким (~100 нс) было излучение SII (к = 301.6 нм), верхнее энергетическое состояние которого можно считать узким местом рекомби-национного потока ионной составляющей плазмы, E = 20.37 эВ.
Осциллограммы излучения спектральных линий отличаются от соответствующих осциллограмм при облучении чистых мишеней из-за значительного вклада диссоциативной рекомбинации и различия механизмов разрушения мишени. Из динамики излучения лазерного факела CuSbS2 видно, что высота обоих максимумов на всех длинах волн приблизительно одинакова, а второй максимум излучения имеет меньшую длительность по сравнению с излучением факелов на основе чистых элементов. На первой фазе испарения динамика излучения факела повторяет динамику лазерного импульса в обоих случаях.
Для более детального изучения механизма образования возбужденных состояний был построен рис. 3, на котором изображена зависимость логарифма интенсивности, нормированной на максимальное значение, от времени. Учитывая, что времена жизни возбужденных состояний намного меньше времени наблюдения излучения, предполагаем, что образование возбужденных состояний обусловлено в первую очередь режимом испарения и процессами в плазме. Из зависимостей рис. 3, аппроксимированных прямолинейными участками, видно, что при временах 100-175 и 175-250 нс устанавливаются квазистационарные режимы возбуждения (судя по времени их появления), определяемые процессами рекомбинации или столкновениями. Соответствующие времена рекомбинации представлены на рисунке. Интересным является тот факт, что наиболее эффективно ионы серы излучают при t = 10-25 нс, а верхние возбужденные состояния атомов меди наиболее эффективно заселяются также и при t ~ 90 нс. Около центра этого временного интервала расположен максимум излучательных переходов с нижних состояний CuI.
Мы объясняем этот эффект следующим образом. Вследствие испарения мишени в двух режимах [10] происходит образование основной массы возбуж
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.