УДК: 621. 531. 219

Модификация диэлектрической поверхности при лазерно-индуцированном кулоновском взрыве наночастиц

Груздев В.Е., Комолов В.Л., Пржибельский С.Г., Смирнов Д.С., Li X.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Груздев В.Е., Комолов В.Л., Пржибельский С.Г., Смирнов Д.С., Хао Ли Модификация диэлектрической поверхности при лазерно-индуцированном кулоновском взрыве наночастиц // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 8. С. 38–46.

Gruzdev V.E., Komolov V.L., Przhibelskiy S.G., Smirnov D.S., Li X. Modification of a dielectric surface when laser-induced Coulomb explosion of nanoparticles occurs [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2011. V. 78. № 8. P. 38–46.

Ссылка на англоязычную версию:

V. E. Gruzdev, V. L. Komolov, S. G. Przhibel’skiĭ, X. Li, and D. S. Smirnov, "Modification of a dielectric surface when laser-induced Coulomb explosion of nanoparticles occurs," Journal of Optical Technology. 78(8), 498-504 (2011). https://doi.org/10.1364/JOT.78.000498

Аннотация:

Представлены результаты изучения механизмов фемтосекундных лазерных взаимодействий с системой наночастиц, осажденных на твердой диэлектрической поверхности. Эксперименты показали, что в зависимости от уровня интенсивности осуществляются разные режимы взаимодействий лазерного излучения с наночастицами, включая частичное и полное удаление (абляцию) наночастиц и локальное повреждение самой поверхности. В режиме полной и частичной абляции наночастиц зарегистрированы следы внедрения ионов материала наночастиц в тонкий приповерхностный слой подложки. Моделирование разрушения наночастиц фемтосекундным лазерным импульсом подтверждает возможность испускания из них ионов с последующим внедрением в подложку.

Ключевые слова:

лазерное воздействие, абляция, кулоновский взрыв

Благодарность:

Авторы благодарят Кс. Сана (университет Миссури) за помощь в изготовлении образцов наночастиц и проведение измерений на электронном микроскопе.

Коды OCIS: 320.7130, 260.3230

Список источников:

1. Perry M.D., Stuart B.C., Banks P.S., Fei, M.D., Yanovsky V., Rubenchik A.M. Ultrashort-pulse laser machining of dielectric materials // J. Appl. Phys. 1999. V. 85(9). Р. 6803–6810.
2. Kamlage G., Bauer T., Ostendorf A., Chichkov B. N. Deep drilling of metals by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 2003. V. 77. Р. 307–310.
3. Sugioka K., Cheng Y., Midorikawa K. Three-dimensional micromachining of glass using femtosecond laser for lab-on-chip device manufacture // Appl. Phys. A. 2005. V. 81. Р. 1–10.
4. Misawa H., Juodkazis S. 3D Laser Microfabrication. Principles and Applications // Wiley-VCH Verlag GmBH. Weinheim. 2006. P. 239–384.
5. Sanz M., Castillejo M., Amoruso S., Ausanio G., Bruzzese R., Wang X. Ultra-fast laser ablation and deposition of TiO2 // Appl. Phys. A. 2010. to appear.
6. Shin J., Jang K., Lim K.-S., Kim Y.-S., Lee Y.-L., Choi J.-H., Sohn I.-B., Lee J., Lee M. Formation and removal of multi-layered fluorescence patterns in gold-ion doped glass // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. Р. 9754–9757.
7. Nishiyama H., Nishii J., Mizoshiri M., Hirata Y. Microlens arrays of high-refractive-index glass fabricated by femtosecond laser lithography // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 9750–9753.
8. Nakashima S., Sugioka K., Midorikawa K. Fabrication of microchannels in single-crystal GaN by wet-chemicalassisted femtosecond–laser ablation // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 9770–9774.
9. Wang X., Chen F., Yang Q., Liu H., Bian H., Si J., Hou X. Fabrication of quasi-periodic micro-voids in fused silica by single femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 2010. V. 92. P. 1–6.
10. von der Linde D., Sokolowski-Tinten K. The physical mechanisms of short-pulse laser ablation // Appl. Surf. Sci. 2000. V. 154–155. P. 1–10.
11. Schaffer C., Brodeur A., Mazur E. Laser-induced breakdown and damage in bulk transparent materials induced by tightly focused femtosecond laser pulses // Meas. Sci. Technol. 2001. V. 12. P. 1784–1794.
12. Juodkazis S., Mizeikis V., Matsuo S., Ueno K., Misawa H. Three-dimensional micro- and nano-structuring of materials by tightly focused laser radiation // Bull. Chem. Soc. Jpn. 2008. V. 81(4). P. 411–448.
13. Phipps C.R. Laser Ablation and its Applications: Springer Series in Optical Sciences. V. 129. Springer, New York. 2007. P. 99–121.
14. Koch J., Korte F., Bauer T., Fallnich C., Ostendorf A., Chichkov B. N. Nanotexturing of gold films by femtosecond laser-induced melt dynamics // Appl. Phys. A. 2005. V. 81. P. 325–328.
15. White Y. V., Li X., Sikorski Z., Davis L. M., Hofmeister W. Single-pulse ultrafast-laser machining of high aspect nano-holes at the surface of SiO2 // Opt. Express. 2008. V. 16(19). P. 14411–14420.
16. Békési J., Klein-Wiele J.-H., Simon P. Efficient submicron processing of metals with femtosecond UV pulses // Appl. Phys.A. 2003. V. 76. P. 355–357.
17. Amoruso S., Bruzzese R., Spinelli N., Velotta R., Vitiello M., Wang X. Formation of nanoparticles during ultrashort laser irradiation of silicon targets // Europhys. Lett. 2004. V. 67 (3). P. 404–410.
18. Amoruso S., Ausanio G., Bruzzese R., Vitiello M., Wang X. Femtosecond laser pulse irradiation of solid targets as a general rout to nanoparticle formation in vacuum // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 033406.

19. Amoruso S., Ausanio G., Barone A.C., Bruzzese R., Gragnaniello L., Vitiello M., Wang X. Ultrashort laser ablation of solid matter in vacuum: a comparison between the picosecond and femtosecond regimes // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2005. V. 38. L329–L338.
20. Tull B.R., Carey J.E., Sheehy M.A., Friend C. Mazur E. Formation of silicon nanoparticles and web-like aggregates by femtosecond laser ablation in a background gas // Appl. Phys. A. 2006. V. 83. P. 341–346.
21. Amoruso S., Bruzzese R., Pagano C., Wang X. Features of plasma plume evolution and material removal efficiency during femtosecond laser ablation of nickel in high vacuum // Appl. Phys. A. 2007. V. 89. P. 1017–1024.
22. Perriere J., Boulmer-Leborgne C., Benzerga R., Tricot S. Nanoparticle formation by femtosecond laser ablation // J. Phys.D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 7069–7076.
23. Guillermin M., Colombier J.P., Valette S., Audouard E., Garrelie F., Sroian R. Optical emission and nanoparticle generation in Al plasmas using ultrashort laser pulses temporally optimized by real-time spectroscopic feedback // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. P. 035430.
24. Švrček V., Kondo M. Blue luminescent silicon nanocrystals prepared by short pulsed laser ablation in liquid media // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 9643–9646.
25. Ganeev R.A., Boltaev G.S., Tugushev R.I., Usmanov T. Nanoparticle formation during laser ablation of metals at different pressures of surrounding noble gases // Appl. Phys. A. 2010. V. 100. P. 119–123.
26. Lescoute E., Hallo L., Hebert D., Chimier B., Etchessahar B., Tikhonchuk V.T., Chevalier J. M., Combis P. Experimental observations and modeling of nanoparticle formation in laser-produced expanding plasma // Phys. Plasma. 2008. V. 15. P. 063507.
27. Lorazo P., Lewis L.J., Meunier M. Thermodynamic pathways to melting, ablation, and solidification in absorbing solids under pulsed laser irradiation // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 134108.
28. Itina T., Gouriet K., Zhigilei L., Neol S., Hermann J., Sentis M. Mechanisms of small clusters production by short and ultra-short laser ablation // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 253. P. 7656–7661.
29. Glover T.E. Hydrodynamics of particle formation following femtosecond laser ablation // J. Opt. Soc. Am. B. 2003. V. 20(1). P. 125–131.
30. Chimier B., Tikhonchuk V.T. Liquid-vapor phase transition and droplet formation by subpicosecond laser heating // Phys. Rev. B. 2009. V. 79. 184107.
31. Gruzdev V.E., Komolov V.L., Przhibel’skii S.G., Smirnov D.S. Dynamics of spreading of a spherical particle ionized by intense ultra-short laser pulse // Proc. SPIE. 2006. V. 6256. P. 30–39.
32. Gruzdev V.E., Komolov V.L., Przhibel’skii S.G., Smirnov D.S. Destruction of the nano-size solid particles under femtosecond laser pulse action // Proc. SPIE. 2007. V. 6596. P. 65960P-1–65960P-8.
33. Груздев В.Е., Комолов В.Л., Пржибельский С.Г., Смирнов Д.С. Деструкция наночастицы, частично ионизованной мощным ультракоротким лазерным импульсом // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 6. С. 3–9.
34. Huang W. Fundamental studies of the interaction between femtosecond laser and patterned monolayer plasmonic nanostructures. Ph. D. theses presented at School of Chemistry and Biochemistry. 2007. Georgia Institute of Technology: Atlanta. Georgia. 271 p.
35. Link S. El-Sayed M.A. Optical properties and ultrafast dynamics of metallic nanocrystals // Annual Review of Physical Chemistry. 2003. V. 54. P. 331–366.
36. Stepanov A.L. Modification of implanted metal nanoparticles in the dielectrics by high-power laser pulses // Reviews on Advanced Materials Science. 2003. V. 4(2). P. 123–138.
37. Link S. El-Sayed M.A. Size and Temperature Dependence of the Plasmon Absorption of Colloidal Gold Nanoparticles // J. Phys. Chem. B. 1999. V. 103(21). P. 4212–4217.
38. Kreibig U., Vollmer M. Optical Properties of Metal Clusters. Springer, Berlin, 1995. 532 p.