А.А. Антипов, с.М. Аракелян, с.В. Кутровская, а.О. Кучерик, а. А. Макаров, д.С. Ногтев, в.Г. Прокошев импульсное лазерное осаждение фрактальных кластерных наноструктур в коллоидных системах
Получены осаждения кластеров наночастиц из коллоидных систем на поверхность подложки при локальном импульсном лазерном воздействии. Показано, что на изменение материала подложки приводит к формированию различных кластерных структур.
1. Введение Объемные или многослойные материалы, состоящие из микро- и наноразмерных фрактальных кластеров [1-4], – отдельный класс материалов, обладающий рядом уникальных свойств[5-7]. Физико-механические свойства таких материалов существенно зависят от их морфологических свойств и от фрактальной размерности [1]. Для синтеза подобных кластерных структур применяются различные схемы[8-11]. Одним из перспективных направлений, позволяющих получать протяженные массивы наноструктур c управляемой морфологией, является лазерное осаждение металлов из коллоидных растворов [12]. Методы осаждения металлических частиц при лазерном воздействии на электролиты [13] получили в настоящее время значительное распространение в задачах формировании тонких металлических покрытий. Синтез наноструктур из коллоидных систем, – в настоящее время одна из перспективных технологий; сама возможность формирования в лазерном поле фрактальных наноструктур имеет как фундаментальное значение в аспекте получения новых материалов с управляемыми физико-химическими свойствам, так и прикладное – в аспекте создания новых устройств нанофотоники.
В наших ранних работах [14] было показано, что на основе метода лазерного осаждения металлических (и/или оксидных) наночастиц из коллоидных систем (LDPCS) возможно формирование наноструктурированных многослойных материалов с управляемой топологией.
2. Условия эксперимента по лазерному синтезу фрактальных кластеров
Схема эксперимента соответствует работе [14]. Коллоидный раствор изготовлялся путем интенсивного перемешивания наночастиц никеля (со средним радиусом 100нм) с глицерином с общим отношением масс 1:0.38 и с последующей дополнительной обработкой в течение часа в ультразвуковой ванне.
Процесс лазерного воздействия реализовывался с применением YAG:Nd-лазера c модуляцией добротности. Длительность лазерного импульса составляла 100нс, средняя мощность излучения – 2.5Вт, частота повторения импульсов – 20кГц, диаметр лазерного пучка на поверхности подложки составлял 30мкм. Лазерный пучок сканировался по поверхности подложки – скорость его движения изменялась от 0.4мм/с до 5мм/с. Высота слоя коллоидного раствора над поверхностью подложки 3мм.
В экспериментах использовались медные, кремниевые и стеклянные подложки. В результате локального лазерного воздействия на коллоидный раствор на поверхности подложки происходило осаждение спекшихся наночастиц никеля по траектории движения пучка. После лазерного воздействия и образования на поверхности подложек протяженных массивов наноструктур они исследовались с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D и зондовой нанолаборатории Интегра-Аура.
3. Получение протяженных массивов наноструктур на поверхности различных подложек при сканировании лазерного пучка
Структура осажденного наноструктурированного слоя существенным образом изменяется при использовании проводящих или диэлектрических подложек (см. рис. 1).
При осаждении наночастиц на медную подложку (см. рис. 1а,в) формируется компактный слой, плотно сгруппированный вдоль траектории движения лазерного пучка. При наблюдении в растровый электронный микроскоп (РЭМ) осажденный слой обладает структурой из отдельных агломератов со средним размером 5мкм. При более тщательном исследовании структуры агломератов, с применением атомно-силового микроскопа (АСМ), можно обнаружить, что они состоят из отдельных спекшихся частиц. Средний размер характерного зерна возникающей неоднородности при образовании наноструктур составляет 500нм.
Рис.1 Лазерное осаждение наночастиц никеля на поверхность твердой подложки, помещенной в коллоидный раствор: РЭМ и АСМ изображения области осаждения на поверхность медной подложки (изображения а,в) и на поверхность стеклянной подложки (изображения б,г).
При осаждении наночастиц на медную подложку (см. рис. 1а,в) формируется компактный слой, плотно сгруппированный вдоль траектории движения лазерного пучка. При наблюдении в растровый электронный микроскоп (РЭМ) осажденный слой обладает структурой из отдельных агломератов со средним размером 5мкм. При более тщательном исследовании структуры агломератов, с применением атомно-силового микроскопа (АСМ), можно обнаружить, что они состоят из отдельных спекшихся частиц. Средний размер характерного зерна возникающей неоднородности при образовании наноструктур составляет 500нм.
Картина области осаждения меняется при формировании протяженных массивов наноструктур вследствие локального лазерного осаждения коллоидного раствора на диэлектрическую подложку. В качестве диэлектрической подложки использовалось предметное стекло со шлифом. Из рис 1 (б,г). видно, что ширина осажденного слоя составляет 50мкм. Наночастицы никеля при воздействии лазерного излучения образуют конгломераты, форма которых отлична от формы частиц, осажденных на медную подложку. Структура осажденного слоя меняется от центра к периферии: в области непосредственного воздействия лазерного излучения на материал подложки спекшиеся наночастицы обладают единой поверхностью (со средним размером зерна порядка 300нм), тогда как в области распространения теплового фронта (из-за лазерного нагрева в объеме коллоидной системы) наблюдаются отдельные конгломераты частиц каплеобразной формы со средним радиусом 1мкм.
Исследование морфологических свойств осажденного слоя на поверхность подложки показало, что при локальном лазерном воздействии на коллоидные системы процесс осаждения происходит в две стадии.
На первой стадии происходит локальный лазерный нагрев коллоидного раствора, вследствие чего изменяются его термодинамические параметры – вязкость глицерина и коэффициент поверхностного натяжения в области лазерного воздействия. Это приводит к конкуренции двух процессов: во-первых, диффузии наночастиц никеля из области нагрева наружу, во-вторых, гидродинамического течения в область нагрева, где понижен коэффициент вязкости.
На второй стадии, при достижении некоторого критического веса скопившихся в области наночастиц (и образовавшихся нанокластеров), происходит преодоление действия сил поверхностного натяжения, – частицы осаждаются на поверхность подложки. В дальнейшем локальный лазерный нагрев приводит к частичному спеканию наночастиц. Вид осажденного слоя в общем случае отвечает структурам, формирующимся при высокотемпературном отжиге в результате коагуляции частиц [15]. Однако, в общем массиве наноструктурированного слоя можно обнаружить кластеры, структура которых близка к кластерным структурам, образующимся при непосредственном взаимодействии отдельных атомов [15].
Заключение
В данной работе исследованы процессы управляемого лазерного осаждения наночастиц на поверхность подложки и образования кластеров из коллоидных систем при локальном импульсном лазерном воздействии. Получено, что процесс осаждения определяется физико-механическими и геометрическими свойствами поверхности, на которую происходит осаждение. Анализ структуры осажденного слоя показывает, что изначальное наличие на поверхности подложки «тонкого» рельефа – шероховатости, приводит к локальному перераспределению частиц для такой поверхности, что влияет на процессы формирования и осаждения получающихся кластеров. Анализ свойств коллоидной системы до и после лазерного воздействия подтверждает образование кластеров из частиц никеля с устойчивым размером 500-900нм.
Проведенные исследования позволяют заложить основы новых физических принципов для разработки технологии лазерного осаждения протяженных массивов наноструктур с возможностью управления морфологическими и физико-механическимисвойствами получаемого осажденного слоя. Синтез подобных фрактальных структур при создании многослойных образцов из кластеров металлических и оксидных частиц делает возможным получение различных элементов нанофотоники, например при контакте металл-полупроводник, когда возникает аномальный эффект Шоттки, связанный с морфологией материала[16]. Кроме того, на основе развитых методов представляется перспективным получение структур с квантовыми точками в объеме и/или на поверхности различных образцов для задач наноплазмоники.
Работа выполнена частично за счет средств аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Библиографический список.
Смирнов Б.М. УФН Т.161 №8, 1992.
Смирнов Б.М. УФН Т.173 №6, 2003.
Мандельброт Б.Б. Фрактальная геометрия природы (М.: Институт компьютерных исследований, 2002).
Федер Е.А. Фракталы ( М.: Мир, 1991).
Батурин В.А., Карпенко А.Ю., Литвинов П.А., Пустовойтов С.А. Вопросы атомной науки и техники № 1, (2006).
Пушкин М.А., Борисюк П.В., Троян В.И. В сб. Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии 510 с. (2007)
К. Kordas et al.: Applied Surface Science. №172. (2001)
Антипов А.А., Аракелян С.М.и др. Перспективные материалы №10, (2011)
Antipov AA, Arakelyan SM, Kutrovskaya S.V., et al. Physics Procedia 5 Part 1 (2010)
Антипов А.А., Аракелян С.М. и др. Перспективные материалы №10, (2011)
А.А. Антипов, С.М. Аракелян и др.Перспективные материалы №10, (2011)
Д.И. Рыженков и др. Наноматериалы : М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. С. 365.
H. Moilanen, J. Remes, S. Leppävuori: Physica Scripta.-.T69. (1997)
А.А. Антипов, С.М. Аракелян и др. Нано- и микросистемая техника. №3 (2011)
Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы (М.: Химия, 1990, 320c.).
Н.В. Востоков, В.И. Шашкин Физика и техника полупроводников, Т.38. 9 (2004)