Емісійні характеристики та фізика процесів в лазерній плазмі галію, індію, свинцю, сурми і сполук на їх основі - Автореферат

Лазерне випромінювання використовують при зварюванні, різанні, легуванні, модифікації структури, стимулюванні хімічних реакцій, літографії, в джерелах заряджених частинок, при виготовленні приладів мікро-та наноелектроніки, для очистки поверхні та мікрошліфовки, при лазерній діагностиці та лазерному спектральному аналізі матеріалів, напиленні тонких плівок, при утворенні фулеренів, нанотрубок, фракталів і кластерів, в біології та медицині тощо. Необхідність дослідження спектрального складу випромінювання лазерної плазми та змін інтенсивності випромінювання при розльоті плазмового факела зумовлена також виявленням можливостей встановлення зворотного звязку і автоматизації контролю технологічних процесів, де має місце утворення лазерної плазми, а особливо при лазерному напиленні. Щоб описати фізичну картину в лазерній плазмі, необхідно врахувати, що при лазерній ерозії твердого тіла біля його поверхні встановлюється складна течія рідини, пари, плазми та оточуючого газу. Дослідженнят з цієї тематики проводилися в Проблемній науково-дослідній лабораторії фізичної електроніки в межах наукової теми ДБ-411 (1999 - 2002 р.) “Дослідження характеристик нестаціонарної плазми на основі молекул Cl2, CF2Cl2, розробка фізичних основ багатохвильових ексимерних ламп, плазмохімічного реактора і проведення оптичної діагностики лазерної плазми” (реєстраційний номер 0100U005340) та на першому етапі (2003 - 2004 рр.) наукової теми ДБ-510 “Дослідження характеристик низькотемпературної плазми на сумішах інертних газів з SF6, хлором і парами води та спектроскопічна діагностика лазерної плазми полікристалів” (реєстраційний номер 0103U001676), які виконувались згідно держзамовлення Міністерства науки та освіти України. Для досягнення мети потрібно було вирішити наступні задачі: модернізувати та підготувати до роботи експериментальну установку; відбираючи випромінювання з різних просторових областей лазерного факела, дослідити спектральний склад та зміну в часі інтенсивності випромінювання спектральних ліній; провести критичний відбір необхідних спектроскопічних констант для проведення розрахунків, літератури для розшифровки спектрів та даних, що стосуються властивостей речовин мішені; обгрунтувати можливість застосування, та привести опис методичних прийомів і теоретичних числових оцінок для даного явища; провести розрахунки для окремих складових елементів та сполук на їх основі, порівняти одержані експериментальні результати і оцінки з відомими раніше та між собою.Основні технічні показники використаних пристроїв та умови проведених експериментів були наступними: питома потужність лазерного випромінювання біля 5?108 Вт/см2, тривалість лазерного імпульсу на половині висоти 20 нс, частота лазерної генерації 12 Гц, довжина хвилі лазерного випромінювання 1,06 мкм, розміри опромінюваної ділянки 0,4-0,5 мм, тиск у вакуумній камері 3-12 Па, зона відбору випромінювання 1 та 7 мм від мішені, досліджувана ділянка спектра 200-600 нм, роздільна здатність монохроматора 0,2 нм (дифракційна гратка 1200 штр./мм), похибка визначення інтенсивності 10 %, часове розділення на осцилограмах 2-3 нс (1 мм) та 30 нс (7 мм). Часова залежність концентрації електронів визначалася використовуючи рівняння Саха: , де індекс 2 відноситься до іона, 1 - до атома, m - маса спокою електрона, k, h - сталі Больцмана та Планка. Дослідження емісійних характеристик лазерної ерозійної плазми сполук та їх складових показали, що спектри випромінювання лазерної плазми сполук містять інтенсивні спектральні лінії атомів міді, сурми та індію, а також менш інтенсивні спектральні лінії атомів та іонів сірки. Для високозбуджених атомів міді в плазмі CUSBS2 спостерігаються два максимуми випромінювання, а в плазмі CUINS2 інтенсивність випромінювання атомів міді збільшується до закінчення дії лазера, після чого плавно спадає. Аналіз розподілу заселеностей за енергіями дає змогу визначити температуру електронів (значення електронної температури в лазерній плазмі сполуки CUSBS2 вказані на рисунку), особливості процесу збудження атомів та іонів, співвідношення кількості нейтральних та іонізованих частинок в плазмі, передбачити наявність в лазерній плазмі радикалів певного складу.Аналіз доступної нам літератури вказує на відсутність результатів систематичних досліджень лазерної ерозійної плазми сполук CUINS2, CUSBS2, AGGAS2, PBGA2S4 та їх складових в чистому вигляді, які широко використовуються в якості плівкових пристроїв мікро-та оптоелектроніки. Усереднені за часом спектри випромінювання ерозійної плазми на відстані 1 та 7 мм від мішені показують, що випромінююча частина плазми складається з атомів та однозарядних іонів, спектральні лінії яких відповідають радіаційній релаксації станів, які виникають при збудженні одного або двох електронів. Співвідношення інтенсивностей та відсоткових внесків випромінювання іонів різних елементів в спектр ерозійної плазми сполук не відповідає ієрархії енергій іонізації. Інтенсивність випромінювання атомів зростає із віддаленням зони відбору випромінюва

Основний зміст роботи