Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке новых методов получения металлических и полупроводниковых наночастиц в жидкой среде и формированию наноструктурированных тонких пленок на поверхности твердых тел при управляемом непрерывном/квазинепрерывном (I = 105 -106 Вт/см2) и импульсно-периодическом (I > 106Вт/см2) лазерном воздействии на коллоидные растворы. Изучены механизмы формирования как металлических и полупроводниковых наночастиц в жидкой среде, так и механизм получения наноструктурированных тонких пленок из коллоидных систем. Проведено математическое и физическое моделирование наблюдаемых процессов в зависимости от условий эксперимента и разработаны способы управления морфологическими свойствами формируемых наноструктур на основе данных по их диагностике.
Актуальность работы
Наноструктурированные материалы с включениями наночастиц в основную матрицу вещества и/или на поверхность являются перспективными материалами для использования в различных областях наноэлектроники и фотоники в качестве термоэлектрических элементов, детекторов, источников излучения, элементов памяти, солнечных батарей и т.д. Физико-химические свойства таких материалов зависят от размера включенных наночастиц, их расположения, что позволяет управлять их свойствами.
Не менее важной задачей является управляемое размещение наноразмерных элементов на поверхности (как проводящей, так и диэлектрической) твердой подложки. Существующие методы прецизионного /поатомного переноса вещества технологически сложны и дороги (молекулярно-лучевая эпитаксия, атомная литография, атомно-силовые методы). Более того, они сильно лимитированы при выборе рабочего материала.
В связи с этими двумя факторами методы лазерного управляемого синтеза наноструктурированных поверхностей (тонкие пленки, поверхность твердого тела) являются одними из наиболее быстро развивающихся инструментов современных наноэлектроники и фотоники, позволяющих получать широкий класс наноструктурированных материалов с требуемой топологией расположения наночастиц благодаря соответствующей траектории движения лазерного луча по поверхности подложки. Однако наиболее распространенные методы лазерного осаждения наночастиц, такие как LDMS – laser deposition of metals from solutions, LIFT – laser-induced forward transfer, LCVD – laser chemical vacuum deposition и др. позволяют получать только пленки металлических частиц (в основном меди и золота).
Поэтому исследование и разработка новых подходов и методов в решении задач по равномерному формированию наноструктурированных покрытий при локальном лазерном воздействии является актуальной задачей для разработки новых физических принципов создания современной элементной базы наноэлектроники, фотоники и оптотехники.
Целью работы является получение наноструктурированных пленок и покрытий с управляемой морфологией на поверхности проводящих и диэлектрических материалов при лазерном осаждении наночастиц из коллоидных систем.
Задачи исследования
-
Разработка новых физических принципов управляемого лазерного синтеза металлических и полупроводниковых наночастиц.
-
Реализация схемы получения наноструктурированных тонких пленок при управляемом лазерном воздействии на подложку, помещенную в коллоидный раствор.
Методы исследования. В работе использованы современные методы лазерного получения и осаждения различных материалов на твердые подложки, а также методы проведения диагностики получаемых наноструктур с помощью атомно-силовой и растровой электронной микроскопии (АСМ и РЭМ, соответственно), рентгеноспектрального анализа элементного состава, лазерного анализатора размера частиц и др. Выполнено математическое моделирование процессов формирования наноструктур на основе молекулярно-кинетических подходов.
Научная новизна работы
-
Получены ансамбли наночастиц металлов/оксидов металлов с узким статистическим распределением по размерам при непрерывном лазерном воздействии ближнего ИК-диапазона на массивную мишень, помещенную в жидкую среду.
-
Впервые реализованы эксперименты по управляемому осаждению смесей из коллоидных систем при лазерном воздействии.
-
Предложен оригинальный лазерный метод двустадийного формирования полупроводниковых пленок халькогенидов свинца.
-
Определены особенности морфологии осажденного с помощью лазерного излучения слоя из коллоидных растворов на проводящую и диэлектрическую твердые подложки.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод лазерной абляции металлов в жидкости при воздействии непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1.06 мкм интенсивностью 105 Вт/см2 позволяет получать изолированные наночастицы (кластеры) металлов и их оксидов с размерами 10-30 нм с отклонением от среднего размера не более 15%.
-
Импульсное лазерное осаждение наночастиц из коллоидных систем позволяет формировать протяженные массивы наноструктур с шириной от 30 до 100 мкм произвольной длины и формы на поверхности проводящих и диэлектрических подложек в соответствии с траекторией движения лазерного пучка.
-
При воздействии непрерывного лазерного излучения (длина волны =1.06 мкм, интенсивность 104–105 Вт/см2) на полупроводниковый кристалл возможно формирование полупроводниковых наночастиц (кластеров) с бимодальным распределением по размерам (100-500 нм) и квантовых точек (с размерами 8-30 нм) халькогенидов свинца как на поверхности полупроводниковой пленки, так и непосредственно в жидкой среде.
Практическая значимость работы
-
Коллоидные растворы наночастиц металлов и их оксидов позволяют получать наноструктуры с управляемой топологией при воздействии лазерного излучения, которые могут использоваться в качестве катализаторов и биосенсоров, в т.ч. в медицине и биологии.
-
Протяженные массивы наноструктур с высоким показателем адгезии на диэлектрических подложках, полученные в лазерном эксперименте с коллоидными системами, представляют интерес для разработки устройств микро- и наноэлектроники и фотоники нового поколения.
-
Квантовые точки, образующиеся при лазерной абляции полупроводниковых материалов в коллоидных системах, для которых существенны квантовые эффекты, перспективны для широкого применения в качестве традиционных люминофоров, в дисплеях, а также в лазерах на квантовых точках и при разработке элементов для передачи квантовой/оптической информации.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в научных журналах «Квантовая электроника», «Physics Procedia», а также неоднократно докладывались на профильных международных конференциях: LANE’2010 (г. Эрланген, Германия, 2010 г.), ICONO/LAT’2010 (г. Казань, 2010 г.), конференции «Оптика-2010» (г. Санкт – Петербург, Россия, 2010), X, XI, XII научных конференциях «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул» (г. Звенигород, 2008, 2009, 2010 годы соответственно), ILLA-2009 (г. Смолян, Болгария, 2009 г.), конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология. Конструкционные и функциональные материалы и технологии их производства», (г. Троицк, 2009 г. и г. Владимир, 2010 г.), конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2010 г.), International Conference Fundamentals of Laser Assisted Micro–and Nanotechnologies – FLAMN-10 ( St. Petersburg, 2010 г.), 14th International Conference on Laser Optics «LO-2010» (St. Petersburg, 2010 г.), 3-ей конференции/ молодежной школы семинара «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» (г. Владимир, 2010 г.), XIX научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» (г. Москва, 2012г.), 2-ой конференции «International Conference on Modern Problems in the Physics of Surfaces and Nanostructures» – ICMPSN-2012 (г. Ярославль, 2012 г.) и на всероссийских конференциях: Третьей школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (г. Москва-Калуга, 2010 г.), IV,V конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (г. Ковров, 2009, 2010 годы соответственно), V научной конференции молодых ученых «Жидкие кристаллы и наноматериалы» ( г. Иваново, 2010 г.).
Публикации. Всего опубликовано 60 работ, из которых 9 статей, 48 тезисов докладов и 2 патента. По материалам диссертации в журналах, рекомендованных ВАК, опубликовано 9 статей. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 129 наименований, включая работы автора. Материал диссертации изложен на 121 страницах, которые содержат 32 рисунка.
