Anyagmegmunkálás UV lézerekkel



Hasonló dokumentumok
Dicsı Ágnes: Lézer a restaurálás szolgálatában Álom és valóság

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Abszorpciós spektroszkópia

Optikai rácsok és nanostruktúrák lézeres kialakítása és vizsgálata

Lézeres eljárások Teflon vékonyréteg leválasztására valamint Teflon adhéziójának módosítására

Kutatóegyetemi Kiválósági Központ 1. Szuperlézer alprogram: lézerek fejlesztése, alkalmazásai felkészülés az ELI-re Dr. Varjú Katalin egyetemi docens

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

SZERVES VÉKONYRÉTEGEK IMPULZUSLÉZERES LEVÁLASZTÁSA

Hidrogénezett amorf szénrétegek előállítása impulzuslézeres rétegépítéssel és ellipszometriai vizsgálatuk

MTA AKI Kíváncsi Kémikus Kutatótábor Kétdimenziós kémia. Balogh Ádám Pósa Szonja Polett. Témavezetők: Klébert Szilvia Mohai Miklós

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Ömlesztett kvarc szubmikrométeres megmunkálása lézeres hátoldali folyadékos maratással

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Diffúzió 2003 március 28

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Abszorpciós fotometria

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Röntgen-gamma spektrometria

Elektronegativitás. Elektronegativitás

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

IMPULZUS LÉZERES ANYAGÁTVITELI TECHNIKÁK AZ ANYAGTUDOMÁNYBAN ÉS A BIOLÓGIÁBAN. MTA Doktori Értekezés. Dr. Hopp Béla /tudományos főmunkatárs/

Lézeres anyagmegmunkálás

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Kémiai reakciók sebessége

Kötések kialakítása - oktett elmélet

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

A fény tulajdonságai

Hidrogénezett amorf szénrétegek előállítása impulzuslézeres rétegépítéssel és ellipszometriai vizsgálatuk

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

Általános Kémia, BMEVESAA101

A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

RAJZOLATI ÉS MÉLYSÉGI MINTÁZATKIALAKÍTÁS II:

Doktori (PhD) értekezés tézisei. Hanyecz István. SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék Fizika Doktori Iskola

FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOK

Lézerek az orvostudományban

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Általános Kémia, BMEVESAA101 Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár. Az anyag Készítette: Dr. Csonka Gábor egyetemi tanár,

2. (b) Hővezetési problémák. Utolsó módosítás: február25. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

Röntgendiffrakció, tömegspektrometria, infravörös spektrometria.

Ultrarövid lézerimpulzusok kölcsönhatása fém és félfém céltárgyakkal

1. Szerszámjavítás lézerhegesztéssel 2. Műanyagok lézeres feliratozása

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011. tanév Kémia I. kategória 2. forduló Megoldások

Tárgyszavak: Diclofenac; gyógyszermineralizáció; szennyvíz; fotobomlás; oxidatív gyökök.

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Szakmai összefoglaló

TestLine - Fizika hőjelenségek Minta feladatsor

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010. Kémia I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

ELTE Fizikai Intézet. FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp

Általános és szervetlen kémia 3. hét Kémiai kötések. Kötések kialakítása - oktett elmélet. Lewis-képlet és Lewis szerkezet

Inverz geometriájú impulzuslézeres vékonyréteg-építés

Anyagvizsgálati módszerek Elemanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

LÉZERSUGARAS MIKROMEGMUNKÁLÁS Sánta Imre Dr. Habil, egyetemi docens Meiszterics Zoltán PHD hallgató Told Roland

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Laser / lézer. Egy kis történelem. Egy kis történelem. Egy kis történelem Albert Einstein: az indukált emisszió elméleti predikciója

Reakciókinetika és katalízis

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

Környezeti kémia II. A légkör kémiája

fajtái anyagmegmunkálás anyagmegmunk

Lézerek. A lézerműködés feltételei. Lézerek osztályozása. Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011. tanév Kémia II. kategória 2. forduló Megoldások

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

Optikai rácsok és nanostruktúrák lézeres kialakítása és vizsgálata

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

NYÁK technológia 2 Többrétegű HDI

Tevékenység: Olvassa el a fejezetet! Gyűjtse ki és jegyezze meg a ragasztás előnyeit és a hátrányait! VIDEO (A ragasztás ereje)

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Modern Fizika Labor. 11. Spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: dec. 16. A mérés száma és címe: Értékelés: A beadás dátuma: dec. 21.

Zárthelyi dolgozat I. /A.

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Hőkezelő technológia tervezése

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Fényérzékeny amorf nanokompozitok: technológia és alkalmazásuk a fotonikában. Csarnovics István

1. Atomspektroszkópia

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Ultrarövid lézerimpulzusok kölcsönhatása fém és félfém céltárgyakkal

Az élethez szükséges elemek

Felületmódosító technológiák

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Átírás:

Anyagmegmunkálás UV lézerekkel Hopp Béla MTA Lézerfizikai Kutatócsoport, (1989-2011. ) Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, Szegedi Tudományegyetem Eötvös Iskola Szeged, 2011. augusztus 24-27.

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 2 157 7.90 ArF 193 6.42 KrCl 222 5.50 KrF 248 5.00 Nd:YAG 4.felh 266 4.66 XeCl 308 4.03 XeF 350 3.53 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)

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

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

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

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

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).

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

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

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. ),

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

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.

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

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

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.

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

Femto-; piko- és nanoszekundumos abláció

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

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

Az eltávolítandó réteg vastagsága az optikai tengelytől való távolság függvényében Rövidlátás esetén: 2 1/ 2 2 1 1 2 1/ 2 2 1 2 1/ 2 2 1 1 2 1/ 2 2 1 4 ) 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/ 2 2 1 1 2 1/ 2 2 1 1 1 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:

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

-Petesejt megnyitása -Sejt megmunkálás

-Növényi metszetek készítése

FÜSTSZEMCSÉK SZÁMA 1.4. Füstrészecskék lézeres aprítása 40 30 b BESUGÁRZÁS ELŐTT BESUGÁRZÁS UTÁN F=162 mj/cm 2 20 10 0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 FÜSTSZEMCSÉK MÉRETE (m)

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

-LIBDE (Laser Induced Back-side Dry Etching)

2. Felületmódosítás, felületkezelés 2.1 Felületi struktúrák lézeres kialakítása

2.2 A felület kémiai összetételének módosítása Teflon Poliimid

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 )

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

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

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

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

3.2. MAPLE (Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation) Ureáz

3.3. LIFT (Laser Induced Forward Transfer)

Élő sejtek abszorbeáló réteggel elősegített kontrollált lézeres mozgatása, átvitele

Irányított sejtnövekedés, sejtmintázatok megvalósítása PLD-vel

4. Karakterizálás 4.1 LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)

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

Köszönöm szépen a figyelmet!