Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
phun hạt từ một hố ăn mòn. Ăn mòn quang hóa trong thời gian ngắn đòi hỏi một
bước sóng ngắn, độ rộng xung laser nhỏ với năng lượng phải đủ lớn cho một loại vật
liệu. Trong thực tế, nó không phải là hoàn toàn có thể loại bỏ ăn mòn nhiệt, do đó
một sự kết hợp của ăn mòn nhiệt và ăn mòn quang hóa sẽ thường xảy ra. Chìa khóa
để kiểm soát hai quá trình trên là điều kiện để ăn mòn quang hóa là cao hơn.
Đồng thời để kích thước hạt nhỏ và đồng đều thì có một quá trình kiểm soát
sự bùng nổ trên bề mặt vật liệu. Sự bùng nổ không cần bắt nguồn từ sâu bên trong
khối mẫu lớn. Một sự bùng nổ quang hóa xuất hiện sâu quá mức ở dưới bề mặt mẫu
sẽ là sự bùng nổ “ Thô ”. Đó là hiệu ứng gãy vỡ cảm ứng, và nổ ra các “sỏi lớn” rải
từ miệng hố, thay vì phun những hạt nhỏ. Để giữ sự bùng nổ quang hóa gần bề mặt
mẫu, thì các xung laser phải là độc lập, riêng lẻ. Một xung laser độc lập sẽ không cho
phép xung đi sâu vào trong bề mặt mẫu trước khi nó được hấp thụ để gây ra hiện
tượng ăn mòn quang hóa [8].
1.3. Mô hình hoá cơ chế phương pháp ăn mòn laser
Việc khảo sát mô hình của cơ chế phương pháp ăn mòn laser đóng một vai trò
quan trọng trong sự hoàn thiện nhận thức về cơ chế vi mô gây ra sự phát tán mạnh
vật chất ( material ejection) và mối liên hệ giữa các thông số của quá trình ăn mòn.
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này, với
nhiều mô hình khác nhau về cơ chế phương pháp ăn mòn laser như: mô hình động
lực học phân tử, mô hình Monte Carlo…
Trong khoá luận, chúng tôi xin giới thiệu về mô hình hoá cơ chế phương pháp
ăn mòn laser theo mô hình động lực học phân tử.
Phương pháp mô hình động lực học phân tử (MD) cho phép thực hiện phân
tích chi tiết quá trình phương pháp ăn mòn laser trong đó các thông số nhiệt động lực
học của hệ có thể được xác định theo động lực học vi mô ở mức độ phân tử. Khả
năng này của mô hình động lực học phân tử sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về cơ chế
phát tán mạnh vật chất trong quá trình phương pháp ăn mòn laser. Leonid V. Zhigilei
và Barbara J. Garrison cùng các cộng sự đã xây dựng thành công mô hình động lực
học phân tử để mô tả cơ chế phương pháp ăn mòn laser [9].
5
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Hình 1.2 mô phỏng đám vật chất trên bề mặt vật liệu bị ăn mòn theo mô hình
động lực học phân tử do nhóm các nhà khoa học này nghiên cứu. Theo các nhà khoa
học, đám vật chất được phát tán là tập hợp của các hạt lơ lửng có dạng hình cầu.
Hình 1.2: Khối hình trụ ban đầu của đám vật chất trên bề mặt bị ăn mòn được lấp
đầy bởi các hạt được mô hình hoá.
Các quá trình chi tiết xảy ra trong quá trình phương pháp ăn mòn laser được
mô phỏng bởi chuỗi liên tiếp các hình trong hình 1.3:
Hình 1.3: Ảnh chụp nhanh từ mô hình MD của phương pháp ăn mòn laser
vật liệu rắn minh họa cho các quá trình khác nhau của sự phát tán mạnh vật liệu.
6
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Hình 1.3 thể hiện sự phụ thuộc mạnh của cơ chế phát ra vật chất vào các điều
kiện bức xạ. Các mức độ khác nhau của quá trình được quan sát bao gồm:
- Sự phân huỷ từng phân tử (hình thứ nhất), xảy ra quá trình bốc bay nhẹ của
các phân tử hay được gọi là sự phún xạ trong khoảng thời gian 100 ps. Quá trình này
ứng với thông lượng laser thấp.
- Bùng nổ sự phân ly của một vùng bề mặt bị đốt quá nóng (hình thứ hai). Quá
trình này xảy ra trong thời gian khoảng 200 ps.
- Sự hình thành một lượng lớn các giọt vật chất do sự nóng chảy tức thời (hình
thứ ba, thứ tư).
- Sự phân tán mạnh của các mảnh nhỏ chất rắn bị vỡ ra do hiệu ứng quang hóa
cơ học khi mật độ năng lượng laser lớn hơn (hình thứ 5,6,7)
Khi mật độ năng lượng laser thấp. Hầu hết các đơn thức phân tử (monomer)
được phát ra từ bề mặt bị nung nóng do bức xạ laser. Mô hình có thể cung cấp sự mô
tả đầy đủ quá trình phát ra các phân tử.
Thật vậy, trong chế độ năng lượng laser ở mức thấp, sự phụ thuộc của số phân
tử bị phát ra N vào thông lượng ( fluence) F bởi biểu thức:
]
)(
exp[
0
*
BFTk
E
AN
B
S
+
−=
với F < F
th
(1.1)
Trong đó :
N: Số phân tử được phát trong thời gian khảo sát
E
*
S
: Năng lượng kích hoạt
A: Hệ số tỉ lệ
B: Hệ số mô tả sự biến đổi năng lượng tích tụ làm tăng nhiệt độ bề mặt.
T
0
: Nhiệt độ ban đầu của hệ phân tử
K
B
: Hằng số Boltzman
F
th
: Thông lượng ngưỡng đó là thông lượng để bắt đầu xảy ra quá trình
phương pháp ăn mòn laser.
7
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Lượng vật chất được phát ra trong cơ chế phương pháp ăn mòn laser có thể
được mô tả bởi mô hình đơn giản trong đó mức độ ăn mòn phụ thuộc vào sự tích tụ
của năng lượng laser. Hầu hết các vật liệu hấp thụ năng lượng cao hơn mật độ năng
lượng tới hạn E
*
v
được ăn mòn. Với sự phân tán theo quy luật hàm mũ của cường độ
laser được xác định bởi định luật Beer thì tổng số phân tử toàn phần được phát tán
trên một đơn vị diện tích bề mặt là:
]
)(
ln[
0
*
CTEL
F
LnN
vP
Pm
−
=
th
FF
≥
(1.2)
Trong đó: L
P
: Độ xuyên sâu của laser vào bề mặt vật liệu.
n
m
: Mật độ phân tử của vật liệu
C: Nhiệt dung đặc trưng cho vật liệu
CT
0
: Mật độ năng lượng nhiệt trước khi chiếu laser
Công thức này cũng mô tả mật độ năng lượng ngưỡng F
th
= L
P
(E
*
v
– CT
0
)
Xét trường hợp ăn mòn laser vật liệu rắn xảy ra gần bề mặt, độ rộng xung
laser nhỏ hơn nhiều so với kích thước của chùm laser tại bề mặt (điển hình cho laser
xung là xung ăn mòn laser 10 ns, và kích cỡ của chùm laser tại chỗ trên bề mặt
thường là 2 mm. Vì vậy mà các chùm có thể được coi là mặt phẳng song song với
mẫu trên bề mặt. Vì vậy, tất cả các mô hình sẽ được xem xét theo xấp xỉ một chiều.
Đối với việc nghiên cứu động học chùm cách xa các mẫu trên bề mặt, thì các
mô hình hai và ba chiều là cần thiết. Việc mở rộng quy trình của các chùm ở xa đã
được coi như là một quá trình thuận nghịch có mở rộng của một chất lỏng lý tưởng,
và tự xấp xỉ được áp dụng tương tự. Trong xấp xỉ thuận nghịch đoạn nhiệt một chiều,
chỉ có một trong ba biến tọa độ (x) và thời gian (t) vẫn còn, và di chuyển chất lỏng có
thể được mô tả hoàn toàn của một trong những thành phần vận tốc (v
x
)
,
và bất kỳ một
trong những đại lượng nhiệt động học nào nhưng entropy S là không đổi. Nếu chất
lỏng được coi là tự đối xứng, các vận tốc và đại lượng nhiệt động học sẽ phụ thuộc
các tỷ lệ tọa độ x / t.
8
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Chúng tôi đã phát triển một lý thuyết tương tự và một số mô phỏng động lực
học chất lỏng cho các nghiên cứu gia tốc mở rộng do sự ảnh hưởng của các nguồn
động học và một phần ion hóa. Các mô hình nguồn động học dự báo rằng mở rộng
mặt không ổn định theo hướng vuông góc vào mẫu trên bề mặt rất nhanh hơn thu
được từ các mô hình quy ước. Một phần ion hóa động học sẽ tăng cường mở rộng
trong tất cả các hướng. Một sự khác biệt từ mô hình mở rộng tự do là mô hình động
học trong không gian đầu tiên là chân không hoặc chứa đầy những khí nền.
Sau khi t = 0 một hạt nguồn và năng lượng xuất hiện tại x = 0. Tương tự như
lý thuyết, chúng tôi giả sử rằng vận tốc mặt chùm được cho là
u = v / v
m
=
α
+ (1 -
α) ξ
(1.3)
với v
m
là vận tốc mở rộng tối đa, α là hằng số, và
ξ
= x / v
m
t.
Sau đó các mặt chùm của mật độ, áp suất và nhiệt độ có thể được tính toán với
phương trình Euler . Từ định luật bảo toàn khối lượng, momen và năng lượng, tương
ứng, chúng ta nhận được v
m
như là hàm của
α.
Trong những tính toán mẫu nhiệt
động lực học chúng ta sử dụng chương trình Rusanov để mô phỏng các quá trình mở
rộng.
Đối với mẫu hiệu ứng động học ion hóa riêng lẻ bởi phương trình Saha, chúng
ta sử dụng phương pháp Newton-Raphson. Các kết quả này có thể giúp đỡ để giải
thích sự mở rộng mặt vận tốc quan sát được trong thí nghiệm ăn mòn laser.Thông
lượng laser trên bề mặt vật liệu là một trong những thông số ăn mòn quan trọng nhất.
Khi thông lượng đủ lớn, sự bay hơi của lớp bề mặt vật liệu xảy ra nhanh chóng.
Một tính chất độc đáo của quá trình ăn mòn là hầu hết năng lượng của xung
laser đều được hấp thụ bởi lớp vật liệu bề mặt bị bắn ra. Vì vậy, có rất ít sự phá hủy
nhiệt đối với các lớp vật liệu xung quanh.
1.4. Hệ quang học trong ăn mòn laser
9
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Trong phương pháp ăn mòn laser, hệ quang học bao giờ cũng đóng một vai trò
quan trọng. Để điều chỉnh một hệ quang học phù hợp cho ăn mòn laser:
- Đầu tiên: chùm tia laser được định hướng sao cho đi tới hội tụ tại một điểm
trong một hình phẳng trên mẫu.
- Thứ hai: vị trí, góc chùm tia bị điều chỉnh bởi quay thấu kính kết hợp với
gương, sử dụng tốt hơn là khi dùng kính hiển vi và laser. Các thấu kính và gương có
giá sao cho chúng ổn định và có thể điều chỉnh liên tục. Cần có những bước điều
chỉnh cần thiết để tạo hệ laser hoạt động chính xác, điều chỉnh dễ dàng, ổn định là
điều rất quan trọng.
Trong thực tế, thiết kế của hệ quang liên kết là một nhân tố quan trọng nhất
xác định hệ laser thích hợp nào sẽ được sử dụng[10]. Thêm vào đó, khi hệ liên kết
quang là rẻ hơn hệ kính hiển vi và laser.
Hình 1.4: Mô hình hệ quang liên kết cho ăn mòn laser
Hình 1.4 chỉ ra rằng thấu kính được sử dụng để định hướng và hội tụ chùm tia
laser. Điều quan trọng nhất của các thấu kính này được coi là vật kính của kính hiển
vi. Thực sự vài năm trước đây tất cả vật kính kính hiển vi được thiết kế sao cho hình
ảnh của mẫu nằm sau 160nm vật kính. Hình 1.4 chỉ ra hệ quang liên kết ăn mòn laser
dựa trên loại kính hiển vi này.
Thấu kính y hội tụ tại 1 điểm bên trong ảnh, sao cho nó sẽ có hội tụ tại điểm
tương ứng bên trong mẫu. Thấu kính y có thể di chuyển dọc theo trục tia để điều
Tia
laser
tới
Điều chỉnh
bán kính
chùm tia
ảnh
Điều chỉnh
mặt tiêu cự
Mẫu
Bản
chia
tia
Thanh
lọc sắc
10
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
chỉnh sự hội tụ của laser sao cho nó tương ứng với ảnh bạn nhìn thấy. Nếu nó được di
chuyển về phía laser, sự hội tụ sẽ di chuyển đi lên hướng mẫu.
Ngày nay rất nhiều kính hiển vi sử dụng vật kính điều chỉnh tại vô cực. Điều
này có nghĩa là tất cả tia của ánh sáng từ một điểm duy nhất trong mẫu tới ngoài của
vật kính song song (hình 1.5). Ánh sáng laser không thể hội tụ tại điểm trong ảnh, bởi
vì không ảnh nào được tạo thành. Trong trường hợp này người ta sử dụng thấu kính
phụ vào (thấu kính z trong hình vẽ) để tạo ảnh.
Hình 1.5: Mô hình hệ quang liên kết cho ăn mòn laser điều chỉnh tại vô cực
Điều quan trọng là ánh sáng laze vào mẫu từ phạm vi có thể đến từ những góc
rộng nhất, có nghĩa rằng đường kính chùm tia phải ít nhất đủ lớn để soi sáng toàn bộ
mẫu. Nếu thấu kính x được di chuyển về phía laze, chùm tia sẽ bị chia nhỏ như khi di
chuyển kính thiên văn, để đường kính của nó sẽ lớn hơn tại thấu kính y và mẫu. Nếu
chùm tia lớn hơn mẫu, thì chỉ phần trung tâm sẽ vào mẫu. Như vậy thấu kính x được
di chuyển về phía laze, phần của ánh sáng để soi sáng trở vào những mẫu nên yếu
hơn. Đây là một cách điều chỉnh cường độ hữu ích. Nó cũng cải thiện sự đồng nhất
của chùm tia, khi đó trung tâm của chùm tia là đồng dạng nhất.
Tia
laser
tới
Điều
chỉnh bán
kính chùm
tia
ảnh
Điều
chỉnh mặt
tiêu cự
Mẫu
Chia
tia
Thanh
lọc
11
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Cường độ có thể cũng được điều chỉnh bởi việc xen vào một mật độ trung lập
được lọc trong chùm tia, hoặc do chính thay đổi nhỏ trong cường độ bằng kính hiển
vi trượt. Tất nhiên, những sự biến đổi trên các hệ liên quang là rất đa dạng. Ví dụ,
bạn có thể rút ngắn đường dẫn trong hình 1.6 bởi việc sử dụng một thấu kính lõm
thay vì một thấu kính lồi.
Hình 1.6: Mô hình hệ quang liên kết ăn mòn laser rút ngắn đường đi
1.5. Các phương pháp phương pháp ăn mòn laser
Phương pháp ăn mòn laser được sử dụng để chế tạo màng mỏng khi nó được
thực hiện trong chân không đôi khi trong môi trường khí trơ như Ar hay trong những
chất khí đóng vai trò tác nhân hoá học như Amoniac hoặc Nitơ. Phương pháp ăn mòn
laser cũng có thể thực hiện trong môi trường chất lỏng để tạo ra các hạt kích thước cỡ
nano. Kỹ thuật phương pháp ăn mòn laser khá hữu hiệu để tạo ra các hạt nano của vật
liệu bán dẫn và kim loại. So với các phương pháp khác, phương pháp ăn mòn laser là
một phương pháp khá đơn giản, các hạt nano được chế tạo không bị nhiễm bẩn bởi
chất khử, đặc biệt có thể điều khiển được kích thước hạt.
1.5.1 Ăn mòn laser tạo vật liệu nano dạng màng mỏng
Phương pháp ăn mòn laser cung cấp một phương tiện để tạo màng mỏng,
trong một loạt các mẫu vật liệu, trên một loạt các chất, ở nhiệt độ phòng.
Các ứng dụng của phương pháp ăn mòn laser rất linh hoạt và rộng, tuy nhiên,
nhiều khía cạnh của các chi tiết hóa chất vật lý của các quá trình ăn mòn vẫn còn
Tia
laser
tới
Điều
chỉnh bán
kính
chùm tia
ảnh
ảo
Điều
chỉnh mặt
tiêu cự
Chia
tia
Thanh
lọc
Mẫu
maMẫu
12
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
chưa hoàn toàn được hiểu rõ. Quá trình thường được coi như là một chuỗi các bước :
bắt đầu bằng bức xạ laser tương tác với các mẫu rắn, hấp thụ năng lượng và nâng
nhiệt tại vị trí trên bề mặt, và các vật liệu bay hơi. Kết quả các tính chất và các thành
phần của các chùm ăn mòn có thể là một kết quả của va chạm hạt trong chùm thông
qua chùm bức xạ laser tương tác. Cuối cùng các chùm va chạm trên chất nền được
bao phủ; vật liệu tới có thể được thu nhận, bật ngược lại vào pha khí, hoặc bổ sung
vào bề mặt tới (thông qua phun, nén …).
Các mẫu tương tác laser sẽ có độ nhạy phụ thuộc vào bản chất và điều kiện
của vật mẫu và các thông số xung laser (bước sóng, cường độ, thông lượng, thời gian
xung …). Các chùm laser tương tác cũng phụ thuộc vào các tính chất của các bức xạ
laser. Trong quá trình ăn mòn, các chùm sẽ rất nhạy với các va chạm vì vậy chất
lượng của chân không là rất quan trọng. Rõ ràng, cuối cùng, thành phần và sự phân
bố vận tốc (hoặc phân bố các thành phần chùm phương pháp ăn mòn laser, trong
trường hợp một thành phần đa chùm ăn mòn) của vật liệu phun có thể được phản ánh
trong các đặc điểm chi tiết của bất màng lắng nào.
Sử dụng bức xạ laser excimer để ăn mòn một loạt các mẫu là vật liệu nguyên
mẫu ví dụ như vật liệu cơ bản như than chì, CVD kim cương, Cu và Al, chất có hai
thành phần như ZnO và LiF, và các loại nguyên vật liệu polyme,trong chân không và
trong các chất khí nền có áp suất thấp hơn áp suất không khí (He, Ar, H
2,
N
2,
) [11].
13
Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368
Hình 1.7. Sơ đồ ăn mòn laser tạo màng mỏng
1.5.2 Ăn mòn laser chế tạo vật liệu nano dạng rắn
Chế tạo hạt nano Cu bằng ăn mòn laser trong dầu polysiloxane ( keo silicone).
Có rất nhiều loại silicone mà các thuộc tính vật lý như mật độ , độ dẻo, ý nhiệt,điểm
sôi…biến thiên phụ thuộc vào khối lượng phân tử của chúng. Do đó,người ta có thể
chọn một loại dầu thích hợp để điều khiển điều kiện ăn mòn.Độ bền hóa học và sự
trong suốt trong quang học của polysiloxane cũng là một thuộc tính thuận lợi khi
kiểm soát ăn mòn laesr và thuộc tính quang của hạt nano.Thêm vào, polysiloxane dễ
đông lại ở nhiệt độ phòng bằng cách pha lẫn chất thích hợp.Quá trình làm đông đặc
này có thể sử dụng để chế tạo chất rắn,tức là hạt/hợp chất tổng hợp.
Hình 1.8: Mô hình ăn mòn laser tạo vật liệu nano rắn
Tia laser
Tấm kim
loại
Dầu
polysiloxane
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét