Лазерный синтез наноструктур оксида алюминия
В работе представлены результаты экспериментальных исследований в направлении лазерного формирования наноструктурированных массивов кристаллов оксидов алюминия. Исследован процесс формирования наноструктур на поверхности алюминия при лазерном воздействии с использованием буферной среды из углеродных нанотрубок и в условиях наложения внешнего ускоряющего электрического поля. Получены нитевидные кристаллы оксида алюминия с поперечными размерами около 100 нм.
Введение
Оксид алюминия примененяется во всех технологиях промышленности, это обусловлено как его физическими свойствами, так и доступностью сырьевой базы. Корунд, сапфир, муллит и другие модификации оксида алюминия используются при производстве изделий микроэлектроники, фотоники, машиностроения, керамической промышленности и др. В настоящее время особый интерес проявляется к наноструктурированному оксиду алюминия. Данный материал прекрасно зарекомендовал себя как диэлектрическая основа систем оптоэлектроники и армирующий элемент различного типа керамик. В последнем случае особенно перспективны нитевидные кристаллы оксида алюминия. Это определяется прежде всего их высокими упруго-прочностными свойствами и жаропрочностью. Прочность вискеров оксида алюминия достигает 40 ГПа, а модуль упругости 400 - 2300 ГПа [1]. Экспериментальные исследования показали, что нитевидные кристаллы оксидов металлов эффективно синтезируются из продуктов лазерного испарения материала [2, 3]. Для такого тугоплавкого материала, как оксид алюминия, данный подход очень перспективен. Результаты экспериментальных исследований в направлении лазерного формирования наноструктурированных массивов кристаллов оксидов алюминия представлены в настоящей работе.
Условия эксперимента
Формирование нанокристаллов оксида алюминия на поверхности образцов осуществлялось при воздействии излучения иттербиевого волоконного лазера ЛС-02. Лазерное излучение направлялось на образец перпендикулярно поверхности мишени Материал мишени: алюминиевый сплав – АД1 (Al – 99,3 %, Ti – 0,05 %, Fe – 0,3 %, Si – 0,3 %, остальное – прочие примеси).
Излучение лазера мощностью 20 Вт фокусировалось на поверхность мишени объективом с фокусным расстоянием 50 мм в пятно диаметром 100 мкм. При этом интенсивность лазерного излучения на поверхности латуни составляла 105 Вт/см2. Поверхность мишени была покрыта слоем углеродных нанотрубок толщиной 0,5 мм. На расстоянии 40 мм от поверхности мишени была установлена металлическая сетка, которая не вносила существенного влияния на прохождение лазерного излучения. Латунная мишень и сетка подключались к источнику питания, и в области взаимодействия лазерного излучения с образцом устанавливалось ускоряющее напряжение. Напряжение изменялось от 1 до 30 В. Время воздействия лазерного излучения на поверхность мишени 10 с. В качестве вспомогательного материала использовались углеродные нанотрубки с поперечным размером около 100 нм. Поверхность образцов после обработки лазерным излучением исследовалась при помощи растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D.
Результаты эксперимента
Формирование слоев, образованных наноструктурами оксида алюминия, при воздействии лазерного излучения на образцы из сплава АД1, реализуется в целом по сценарию осаждения продуктов лазерного испарения материала. В отсутствии управляющего поля осаждающиеся на поверхность продукты лазерного разрушения образуют массивы конгломератов типа «цветная капуста» (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид слоя оксида алюминия на поверхности обработанного лазерным излучением образца в отсутствии электрического поля.
Наложение ускоряющего электрического поля приводит к переходу к формированию слоя оксида алюминия из разветвленных структур (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид слоя оксида алюминия на поверхности обработанного лазерным излучением образца в присутствии электрического поля.
При лазерной обработке образцов в присутствии ускоряющего электрического поля формируются локализованные массивы нитевидных кристаллов. Зарегистрированы разветвленные системы наностержней (рис. 3 и 4). Общий размер отдельного массива наностержней имеет порядок 10 мкм.
Рис. 3. РЭМ-изображение массива наностержней оксида алюминия на поверхности образца (увеличение в 5 000 раз).
Рис. 4. РЭМ-изображение фрагмента массива наностержней оксида алюминия (увеличение в 40 000 раз).
Отмечается, что нитевидные кристаллы оксида алюминия имеют меньшие поперечные размеры по сравнению с наностержнями оксида титана. Их средний поперечный размер около 50 нм (рис. 4).
На разветвленных системах нитевидных кристаллов выявлено образование последовательностей сферических элементов (рис. 4). Их размер может быть как сравнимым с поперечным размером стержня, так и значительно превышать его. Зарегистрированы сферические образования с диаметром около 250 нм. Вероятно, в данном случае проявляется не только сценарий роста наностержня, но и дополнительное осаждение на образовавшуюся сферу продуктов лазерного разрушения материала мишени. Последний механизм сильно преобразует вид системы нитевидных кристаллов (рис. 5).
Рис. 5. РЭМ-изображение массива наностержней оксида алюминия, покрытых продуктами лазерного разрушения материала мишени
Зарегистрировано и формирование нитевидных кристаллов в виде пятилучевых друз (рис. 6). Их мало и они сильно деформированы, хотя отдельные участки лучей имеют достаточно хорошее качество.
Рис. 6. РЭМ-изображение отдельных деформированных друз нитевидных нанокристаллов оксида алюминия
Заключение
Механизм синтеза структур оксида алюминия при осаждении продуктов лазерного испарения в условиях наложения ускоряющего электрического поля изменяется. Происходит переход от формирования поликристаллических структур типа «цветная капуста» к росту ветвящихся монокристаллов. Однако процесс свободного осаждения оксида алюминия не прекращается, что приводит к образованию сопутствующих структур. Присутствие в схеме эксперимента углеродных нанотрубок определило возможность формирования капель-затравок материала, что привело к росту нитевидных кристаллов.
Работы выполнены при финансовой поддержке в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы», АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» и грантов РФФИ.
Библиографический список
1. Афанасов И.М., Лазоряк, Б.И. Высокотемпературные керамические волокна. / М: МГУ, 2010. 51 с.
2. Абрамов Д.В., Жирнова С.В., Логинова И.М., Маков С.А., Прокошев В.Г. Формирование микро- и наноструктурированных массивов кристаллов оксида цинка при лазерном воздействии. // Труды Владимирского государственного университета. Владимир: Изд – во Владим. гос. ун-та, 2010. Вып. 5. С. 16 – 20.
3. Абрамов Д.В., Логинова И.М., Маков С.А., Прокошев В.Г. Формирование нитевидных кристаллов оксида цинка под воздействием лазерного излучения во внешнем электрическом поле Владимир: Изд – во Владим. гос. ун-та, Труды Владим. гос. ун. 2010. Вып. 5. С. 122 – 124.