Динамика лазерно-индуцированного формирования микроконусов на германии в окислительной атмосфере и вакууме

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Пестов Ю.И. Динамика лазерно-индуцированного формирования микроконусов на германии в окислительной атмосфере и вакууме // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 3. С. 28–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-03-28-36

Pestov Yu.I. Dynamics of laser-induced microcone formation on germanium in an oxidizing atmosphere and a vacuum [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2020. V. 87. № 3. P. 28–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-03-28-36

Ссылка на англоязычную версию:

Yu. I. Pestov, "Dynamics of laser-induced microcone formation on germanium in an oxidizing atmosphere and a vacuum," Journal of Optical Technology. 87(3), 155-160 (2020). https://doi.org/10.1364/JOT.87.000155

Аннотация:

Методом скоростной видеосъемки исследована динамика лазерно-индуцированного формирования микроконусов на поверхности (111) монокристаллического германия в вакууме и в окислительной атмосфере при энергии облучения ниже порога выноса расплава из области облучения под действием давления пара. В результате однократного облучения импульсом лазера (длина волны 1,06 мкм, полуширина импульса 1 мс) при диаметре пятна облучения 1 мм получены микроконусы с максимальной высотой 235 мкм в вакууме и 590 и 840 мкм в воздухе и кислороде при атмосферном давлении соответственно. Измерен динамический угол смачивания расплавом своей твердой фазы, равный (13 ± 3)° в вакууме и (35 ± 3)° в воздухе. Увеличение динамического угла смачивания в окислительной атмосфере связано с реакцией окисления Ge на поверхности расплава и граничащей с ним твердой фазы с образованием летучего при температуре плавления Ge оксида GeO. Предложена модель формирования микроконуса, в рамках которой увеличение высоты микроконуса является следствием увеличения динамического угла смачивания.

Ключевые слова:

лазерное излучение, плавление, кристаллизация, смачивание, окисление, микроконус, микрорельеф

Коды OCIS: 350.5340, 350.3390

Список источников:

1. Pedraza A.J., Fowlkes J.D., Lowndes D.H. Self-organized silicon microcolumn arrays generated by pulsed laser irradiation // Appl. Phys. A. 1999. V. 69. P. S731–S734.
2. Nayak B.K., Gupta M.C., Kolasinski K.W. Spontaneous formation of nanospiked microstructures in germanium by femtosecond laser irradiation // Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 195302.
3. Пестов Ю.И., Макин В.С. Лазерно–индуцированное формирование конусообразных выступов на поверхности сверхтугоплавких металлов // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 6. С. 34–42.
4. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974. 416 с.
5. Bardsley W., Frank F.C., Green G.W., Hurle D.T.J. The meniscus in Czochralski growth // J. Crystal Growth. 1974. V. 23. P. 341–344.
6. Дриц М.Е., Будберг П.Б., Бурханов Г.С. и др. Свойства элементов. М.: Металлургия, 1985. 672 с.
7. Бункин Ф.В., Трибельский М.И. Нерезонансное взаимодействие мощного оптического излучения с жидкостью // УФН. 1980. Т. 2. Вып. 2. С. 193–239.
8. Макин В.С., Пестов Ю.И. Способ формирования выступа типа острия // Патент России № 2139373. 1998.
9. Moening J.P., Georgiev D.G. Formation of conical silicon tips with nanoscale sharpness by localized laser irradiation // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 014307.
10. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. 296 с.
11. Трибельский М.И. О форме поверхности жидкой фазы при плавлении сильнопоглощающих сред лазерным излучением // Квант. электрон. 1978. Т. 5. № 4. С. 804–812.
12. Surek T. The meniscus angle in germanium crystal growth from melt // Scripta Metallurgica. 1976. V. 10. P. 425–431.
13. Найдич Ю.В., Перевертайло В.М., Лебович Э.М., Обущак Л.П. Межфазные и капиллярные явления в однокомпонентной системе кристалл–расплав // Адгезия расплавов / Киев: Наукова думка, 1974. С. 3–7.
14. Emmony D.C., Phillips N.J., Toyger J.H., Willis L.J. The topography of laser–irradiated germanium // J. Phys. D: Appl. Phys. 1975. V. 8. P. 1472–1479.

15. Wysocki G., Denk R., Piglmayer K., Arnold N., Bäuerle D. Single–step fabrication of silicon–cone arrays // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. № 5. P. 692–693.
16. Eizenkop J., Avrutsky I., Auner G., Georgiev D.G., Chaudhary V. Single pulse excimer laser nanostructuring of thin silicon films: Nanosharp cones formation and a heat transfer problem // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 094301.
17. Пестов Ю.И., Макин В.С. Изучение динамики лазерно-индуцированного формирования острийного выступа рельефа на поверхности кремния // Тр. междунар. конф. «Прикладная оптика-2006». 16–20 октября 2006, СПб. 2006. Т. 2. С. 157–161.
18. Хейнз Дж.М. Капиллярность и смачивание // Космическое материаловедение / Под ред. Фойербахера Б., Хамахера Г., Наумана Р. М.: Мир, 1989. С. 123–142.
19. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972. 247 с.
20. Дохов М.П. Об относительных значениях поверхностных энергий металлов в тройной точке // Металлы. 1994. № 2. С. 16–21.