Anyagmegmunkálás UV lézerekkel

Átírás

1 Anyagmegmunkálás UV lézerekkel Hopp Béla MTA Lézerfizikai Kutatócsoport, ( ) Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, Szegedi Tudományegyetem Eötvös Iskola Szeged, augusztus

2 A leggyakrabban alkalmazott UV lézerek fotonenergiája A leggyakoribb atomi kötések energiája Egyszeres kémiai kötések Atomok H-H 4.52 C-C 3.56 Si-Si 1.94 N-N 1.65 O-O 1.48 C-H 4.30 N-H 4.05 O-H 4.80 P-H 3.34 C-N 3.02 C-O 3.63 N-O 1.81 Kötési energia (ev) Miért UV lézerekkel? Lézertípus Hullámhossz (nm) Fotonenergia (ev) F ArF KrCl KrF Nd:YAG 4.felh XeCl XeF Többszörös kémiai kötések Atomok C=C 6.37 N=N 4.33 O=O 5.18 C C 8.41 N N 9.80 Kötési energia (ev)

3

4 Felbontóképesség: R NA Fókuszálhatóság: d min 2,44* f D Mélységélesség: DOF 2 NA

5 Az UV lézeres abláció Egy nagyteljesítményű impulzuslézer nyalábját a céltárgyra fókuszálva, a besugárzás hatására a felületre merőlegesen plazmaállapotú anyagfelhő lép ki. A mikroszkópos megfigyelések azt mutatták, hogy az így kapott maratási gödör tiszta, meredek falú, éles peremű

6 A maratási folyamatra jellemző: függ az alkalmazott lézer paramétereitől és a céltárgy optikai, termális és morfológiai tulajdonságaitól jellemezhető egy F k küszöb-energiasűrűséggel, amely alatt az abláció nem következik be az első impulzus hatására az ablációs maratási sebességre (d:=maratási mélység/impulzusszám) közelítőleg teljesül a követező összefüggés: d 1 ln F F K

7 kimutatták, hogy akusztikus impulzus-ugrás figyelhető meg a maratás kezdetekor, az F k elérésekor az eltávozó anyagfelhő egy időben táguló, un. ablációs plume formájában figyelhető meg

8 fotokémiai modell. Ablációs modellek Eszerint egy UV foton beesve a minta felületére, nagy energiájának egy része révén képes kémiai kötés felszakítására az abszorbeáló molekulában, míg energiájának másik részével a szétszakított részek kinetikai energiáját növeli meg, ami az anyag gyors fotodekompozíciójához vezet. I z A B N t A I; A A A N N A N A N B N0. A I; B N B ; N A (z,0) N 0, N B (z,0) 0, I(0, t) I s (t).

9 Fototermális modell A besugárzott minta hőmérséklete a Lambert-Beer törvény alapján: F T( x) exp( x), C p ahol C p a fajhő, a minta abszorpciós együtthatója a besugárzó lézer hullámhosszán. 2 A hőterjedési egyenletet figyelembe véve: T T D, ahol D diffúziós együttható 2 Elsőfokú termális disszociációt feltételezve: dn dt k( T( x, t)) n, x ahol k(t ) a disszociációs sebesség. kt Eact Az Eyring elmélet alapján: k( T) exp( ). E act a bomlási aktivációs energia, k pedig a Boltzmann állandó. h t kt

10 Az ablációs folyamat két, egymást követő lépésből áll: 1. abszorbció 2. termális bomlás és diffúzió Az épen maradt kötések száma: n exp( k( T) t f e ) t e : a folyamat időtartama d A maratási mélység: Kis átalakítással: F k k CpE act k0t e ln ln(1/ n f 1 ) 1 kf ln CpE act k 0t e ln 1 ln n 1 d ln f. F F k

11 Fémek ablációja A beérkező lézerimpulzus energiáját döntően a szabad elektronok abszorbeálják az elektron alrendszer termalizációja energia transzfer a rács felé és némi energiaveszteség a céltárgy belseje felé irányuló elektron hőtranszport révén. Ez utóbbi fémek esetén a következőképpen írható le: C e T t e Q( z) z ( T Te Q( z) ke ; S I( t) A exp( z ). z C e i T T t i i ) S, ( Te Ti Q(z): hőáram, S: lézer hőforrás tag, I(t): lézer intenzitás, A=1-R: transzmisszió, C e, C i : egységnyi térfogatra eső hőkapacitás, : elektron-rács csatolási tényező, k e : elektron hővezetőképesség. ),

12 A folyamat karakterisztikus idői: e =C e / elektron lehűlési idő; i =C i / rács felmelegedési idő ( e << i ); L a lézerimpulzus hossza; : csatolási együttható Femtoszekudumos besugárzás esetén: L << e az elektron-rács csatolás és a hővezetés elhanyagolható. Az elérhető elektron és rács hőmérsékletek a lézerimpulzus után: T e ( L ) 2Fe Ce ' 1/ 2 =2/: skin mélység. z exp( ), T i T 2 e ( L Ce ' ) 2C i Fa exp( z ). C i

13 A forrás bekövetkezhet, ha: C i T i >, ahol a sűrűség, a forráshő. Robbanásszerű forrás feltétele: F F exp( z), a k F k A forrási küszöbenergiasűrűség fs-os besugárzás esetén. 1 a A maratási sebesség: d ln. F F k Az abláció szilárd-gőz vagy szilárd-plazma átmenet formájában valósul meg.

14 Pikoszekudumos besugárzás esetén e << L << i Az elektronhőmérséklet közelítőleg állandóvá válik és feltéve, hogy a rács hőmérséklete kisebb ennél és az elektron hőmérséklet csökkenésének oka az energiacsere a ráccsal, a lézerimpulzus után: T e I a exp( z ), T i Fa exp( z ). C Fs-os és ps-os tartományban a hőmérsékleti és a maratási mélységi egyenletek hasonlóak. Az abláció mellett ebben az esetben elektron hővezetés és a céltárgy bizonyos mélységű megolvadása is bekövetkezik. i

15 Szilárd-gőz vagy szilárd-plazma átmenetek lépnek fel, de már folyadékfázis is megfigyelhető.

16 Nanoszekudumos besugárzás esetén i << L T e =T i =T T T Ci ( k 0 ) Ia exp( z ), t z z ahol k 0 a fémek egyensúlyi hővezetőképessége. Az abszorbeált energia felmelegíti a céltárgy felszínét az olvadáspontig, esetleg a forráspontig. A termális behatolási mélység: l Dt, ahol D=k 0 /C i. Az egységnyi tömegre eső energia a céltárgyban: E m ~I at /l. Párolgás: E m >: A robbanásszerű párolgás feltétele: I I th D 1/ 2 L 1/ 2.

17 Ebben az esetben elegendő idő áll rendelkezésre a hőterjedésre a céltárgy belseje felé egy viszonylag nagy megolvadt réteget eredményezve.

18 Femto-; piko- és nanoszekundumos abláció

19 Az UV abláció főbb alkalmazási területei 1. Anyageltávolítás, marás -termális disszociáció -fotokémiai kötésfelszakítás 2. Felületmódosítás, felületkezelés -morfológiai változtatások -a felület kémiai összetételének módosítása -plazmatükör 3. Anyagleválasztás, átvitel -PLD -MAPLE -LIFT 4. Karakterizálás -LIBS -MS

20 1. Anyageltávolítás, marás 1.1 Mikromegmunkálás PET fogaskerék, átmérő: 400 m, vastagság: 100 m. 1.2 Restaurálás Mikrométeres struktúrák PMMA-ba ablálva

21 Az eltávolítandó réteg vastagsága az optikai tengelytől való távolság függvényében Rövidlátás esetén: 2 1/ / / / ) 1 1) ( ( ) 4 ( ) 1 1) ( ( ) ( ) ( S R D n n R S R y R D n n R y R y t m 2 1/ / ) 1 1) ( ( ) ( 1 1) ( ) ( y R D n n R y R R D n n R R y t h 1.3 Az abláció orvosi, biológiai alkalmazásai -Szemészet: szaruhártya-szobrászat, refraktív sebészet Távollátás esetén:

22 -Érsebészet: érfali lerakódás eltávolítása -Fogászat: szuvas rész, fogkő eltávolítása

23 -Petesejt megnyitása -Sejt megmunkálás

24 -Növényi metszetek készítése

25 FÜSTSZEMCSÉK SZÁMA 1.4. Füstrészecskék lézeres aprítása b BESUGÁRZÁS ELŐTT BESUGÁRZÁS UTÁN F=162 mj/cm FÜSTSZEMCSÉK MÉRETE (m)

26 1.5 Indirekt lézeres módszerek átlátszó anyagok finommegmunkálására -LIPAA (Laser Induced Plasma Assisted Ablation) -LIBWE (Laser Induced Back-side Wet Etching)

27 -LIBDE (Laser Induced Back-side Dry Etching)

28 2. Felületmódosítás, felületkezelés 2.1 Felületi struktúrák lézeres kialakítása

29 2.2 A felület kémiai összetételének módosítása Teflon Poliimid

30 REFLECTIVITY CHANGE (I 1 /I 0 ) REFLECTIVITY CHANGE (I 1 /I 0 ) REFLECTIVITY CHANGE (I 1 /I 0 ) 2.3 Plazmatükör 2,50 2,25 2,00 STYRENE 2,50 2,25 2,00 WATER 2,50 2,25 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 TIME (ps) 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 TIME (ps) 2,00 1,75 1,50 1,25 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 FLUENCE (J/cm 2 )

31

32 3. Anyagleválasztás, átvitel 3.1 PLD (Pulsed Laser Deposition)

33 PLD szén, PET és PC céltárgyakból Spektroszkópiai ellipszometria és ionvisszaszórásos spektrometriával (RBS, ERDA) sok rétegjellemző mellett meghatározható a rétegek sűrűsége: gyémántszerű szén grafitos SZÉN PC PET porózus

34 Teflon Fog Pepszin 0,4 % HCl oldat telített gőze T = 37 ºC Pepszin vékonyréteg 20 μm vastag főtt tojásfehérje Minták : F=0,38; 1,22 és 2,4 J/cm 2 10 mg kristályos pepszin

35 Törésmutató Rétegvastagság [nm] STATIKUS EGYÜTTFORGÓ Vékonyrétegépítés inverz PLD geometriában plazma Az inverz IPLD geometria lézernyaláb céltárggyal együttforgó hordozó a céltárgy felett nyugvó hordozó forgó céltárgy 4 Si lapka IPLD-vel épített TiO 2 réteggel 5 Pa PLD IPLD egyenletes vastagság homogén szerkezet 0 0 Porozitás [%] Az IPLD-vel készült rétegek sokkal kevesebb partikulát tartalmaznak, mint a PLD-s filmek homogén tulajdonságok Pozíció a film átlója mentén [mm] Extinkciós koefficiens

36 3.2. MAPLE (Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation) Ureáz

37 3.3. LIFT (Laser Induced Forward Transfer)

38 Élő sejtek abszorbeáló réteggel elősegített kontrollált lézeres mozgatása, átvitele

39 Irányított sejtnövekedés, sejtmintázatok megvalósítása PLD-vel

40 4. Karakterizálás 4.1 LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)

41 4.2 LA-ICP-MS (Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

42

43 Köszönöm szépen a figyelmet!

44