Формирование нанокомпозитных структур при лазерном облучении λ = 1,064 мкм DVD-R, покрытого алюминиевой фольгой

Цель работы. Получение, характеризация и математическое описание методами Фурье-анализа атомносиловых микроскопических изображений 1D-мерных вискероподобных нанокомпозитных структур, формируемых в условиях высокоинтенсивной лазерной обработки. Формирование из поликарбоната с внутренними тонкими слоями из Al, полупроводниковых металлов Si, Sb, Te, Ge и соединений ZnS и SiO2 в составе DVD-R-5 диска, покрытого алюминиевой фольгой.
Методы. Использовано импульсно-периодическое лазерное излучение для обработки образов DVD-R-5. Формируемые структуры были изучены методами конфокальной, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. По атомно-силовым изображениям проведены прямое и обратное преобразование Фурье. Анализ решений уравнения теплового баланса применительно к результатам выполненной лазерной обработки.
Результаты. При высокоскоростном воздействии лазерным излучением (моды TEM01 или TEM10) на образец DVD-R-5, покрытый алюминиевой фольгой, обнаружены и изучены ВНС. С помощью прямого и обратного преобразований Фурье по атомно-силовым изображениям поверхности после лазерной обработки подтверждена периодичность формируемых ВНС. Показано, что процесс лазерной обработки DVD-R-5 является адиабатическим, скорость распространения фронта волны плавления превышает звуковую в поликарбонате. Обоснован вывод о формировании ВНС за счет самофокусировки и филаментации лазерного излучения в отраженных дифрагирующих лучах каждой из составляющих мод.
Вывод. В условиях высокоинтенсивной лазерной обработки импульсно-периодическим лазерным излучением с модами TEM01 или TEM10 формируются 1D-мерные ВНС с толщиной у основания до 0,5 мкм и высотой свыше 1 мкм, состав которых может включать как проводники, полупроводники, так и их соединения. Полученные ВНС обладают высокоразвитой упорядоченной поверхностной структурой, что может свидетельствовать о перспективности их применения. 

1. Аксёнов В. П., Журкин Б. Г. Образование периодической структуры при воздействии мощного когерентного излучения на поверхность полупроводников // Доклады АН СССР. 1982. Т. 265, № 6. С. 1365–1366.

2. Смирнов Н. А., Кудряшов С. И., Ионин А. А. Роль протяжённого филаментационного фокуса при абляции поверхности кремния в водной среде ультракороткими лазерными импульсами // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2022. Т. 162, вып. 1 (7). С. 55–59.

3. Grigoropoulos C. P. Laser synthesis and fictionalization of nanostructures // International Journal of Extreme Manufacturing. 2019. Vol. 1. P. 012002. https://doi.org/10.1088/26317990/ab0eca.

4. Kudryashov S. I., Lyon K., Allen S. D. Near-field thermal radiative transfer and thermo acoustic effects from vapor plumes produced by pulsed CO2 laser ablation of bulk water // Journal of Applied Physics. 2006. Vol. 100(12). P. 124908. http://dx.doi.org/10.1063/1.2402388.

5. Zohuri B. Laser surface processing // Thermal effects of high power laser energy on materials. Springer Cham, 2021. P. 331–362. https://doi.org/10.1007/978-3-030-63064-5_6.

6. Honma T. Laser-induced crystal growth of nonlinear optical crystal on the glass surface // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2010. Vol. 118(1374). P. 71–76. https://doi.org/ 10.2109/jcersj2.118.71.

7. Фемтосекундная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана / Е. В. Голосов, В. И. Емельянов, А. А. Ионин, Ю. Р. Колобов, С. И. Кудряшов, А. Е. Лигачёв, Ю. Н. Новосёлов, Л. В. Селезнёв, Д. В. Синицын // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009. Т. 90, вып. 2. С. 116–120.

8. Модификация поверхности титана импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности / Е. В. Голосов, В. И. Емельянов, А. А. Ионин, Ю. Р. Колобов, С. И. Кудряшов, А. Е. Лигачёв, Ю. Н. Новосёлов, Л. В. Селезнев, Д. В. Синицын // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 2. С. 10–14.

9. Nanosecond laser surface processing of AlN ceramics / Qibiao Yang, Yang Chen, Zhihuai Lv, Lie Chen [et al.] // Journal of Materials Science. 2019. Vol. 54(6). P. 13874–13882. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03888-9.

10. Соцков В. А. О явлениях самоорганизации в электрофизике макросистем // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, вып. 8. С. 129–132.

11. Османов О. М. Наглядное моделирование фрактальных структур // Успехи физических наук. 1995. Т. 165, № 9. С. 1095–1097.

12. Shattuckite Synthesis and the Pattern Formation by the Scanning Laser Beam / S. Maximovskii, A. Turyanskiy, K. Bogonosov, S. Gizha, V. Senkov, I. Pirshin // Tecnol. Metal. Mater. Miner. 2016. Vol. 13, no. 3. P. 248–251. http://dx.doi.org/10.4322/2176-1523.0988.

13. Kiyotaka Miura, Kazuyuki Hirao, Yasuhiko Shimotsuma. Nanowire formation under femtosecond laser radiation in liquid // Nanowires – Fundamental Research; ed. by Abbas Hashim. Intech Open, 2011. https://doi.org/10.5772/17720.

14. Laser-Assisted Growth of t-Te Nanotubes and their Controlled Photo-induced Unzipping to ultrathin core-Te/sheath-TeO2 / T. Vasileiadis, V. Dracopoulos, M. Kollia, S. N. Yannopoulos // Nanowires. Scientific Reports. 2013. Vol. 3. Р. 1209. https://doi.org/10.1038/srep01209(2013).

15. Квазистеклообразная наноструктура, изготовленная методом лазерной нанолитографии / И. И. Шишкин, К. Б. Самусев, М. В. Рыбин, М. В. Лимонов, Ю. С. Кишвар, А. Гайдукевийчуте, Р. В. Киян, В. Н. Чичков // Физика твёрдого тела. 2012. Т. 54, вып. 10. С. 1852–1857.

16. Жаров А. А., Жарова Н. А. Светоиндуцированные дифракционные решётки на метаповерхностях на основе жидкого метаматериала // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2022. Т. 162, вып. 6 (12). С. 844–849.

17. Maximovsky S. N., Stavtsev A. U., Nedelkin V. I. Interaction of pulsed laser radiation with a polycarbonate-based composite // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2017. Vol. 44, no. 12. P. 374–379. https://doi.org/10.3103/S1068335617120089.

18. Maksimovsky S. N., Stavtsev A. Yu., Ovsyannikova A. V. Growth of coherent whiskers on polycarbonate substrates by laser radiation // Journal of Russian Laser Research. Vol. 40, nо. 2. 2019. P. 197–204. https://doi.org/10.1007/s10946-019-09789-1.

19. Аскарьян Г. А., Мороз Е. П. Давление при испарении вещества в луче радиации // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1962. Т. 43, № 6. С. 2319–2320.

20. Аскарьян Г. А. Эффект самофокусировки // Успехи физических наук. 1973. Т. 111, вып. 2. C. 249–260.

21. Луговой В. Н., Прохоров А. М. Теория распространения мощного лазерного излучения в нелинейной среде // Успехи физических наук. 1973. Т. 111, вып. 2. С. 203–247.

22. Townes C. H. Self-trapping of optical beams // Physical Review Letters. 1964. Vol. 13, is. 15. P. 479.

23. Чао Р., Гаймар Е., Таунс К. Самофокусировка луча оптического мазера // Действие лазерного излучения: сборник статей / пер. с англ. Ю. П. Райзер. М.: Мир, 1968. 187 с.

24. Виноградов Б. А., Гавриленко В. Н., Либенсон М. Н. Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы. Благовещенск: Благовещенский политехн. ин-т, 1993. 344 с.