University College London
/Prof.
Ian
W. Boyd/
1. POLIMEREK BESUGÁRZÁSA 172 NM-ES ULTRAIBOLYA FOTONOKKAL
Az ultraibolya (UV) fotonok
igen
hatékonyan képesek szabad
gyökök
keltésére, mely a
megvilágított anyagok fotodegradációjához,
molekulaszerkezetük és optikai
tulajdonságaik megváltozásáshoz
vezet. Jóllehet
közvetett módon sok anyagot védeni
tudunk az UV
sugárzás roncsoló
hatásától,
komoly igény van olyan anyagokra, melyek mechanikai,
termikus,
stb.
tulajdonságai – az anyag szerkezetéből
adódóan – már eredendően
jó UV-védettséggel
párosulnak.
Az ilyen anyagok
kifejlesztéséhez az út
ígéretes
modellanyagok viselkedésének
megértésén, a fotobomlási
folyamatok tanulmányozásán
keresztül vezet.
A méréssorozatunkban használt Xe2* excimer lámpa a rádiófrekvenciás, nagy feszültségű gerjesztés hatására kvázifolytonos, inkoherens, néhány nanométer sávszélességű sugárzást bocsát ki, melynek központi hullámhossza 172 nm. A 20 és 50 µm vastag PC és a 60 µm–es PEN fóliákat 0.5 perctől 20 percig terjedő időtartamokig sugároztuk be 40 mW cm-2 energiasűrűségű vákuum ultraibolya (VUV) fotonokkal. Az ábra egy 10 percig besugárzott PC minta ATR-IR spektrumát mutatja egy kezeletlen polimer referenciához viszonyítva. A negatív abszorbanciájú csúcsok a hozzájuk rendelhető kötések felbomlásáról árulkodnak. Jól látható, hogy a VUV besugárzás a PC fólia felszíni rétegében olyan kémiai változásokat idéz elő, melyek mind az aromás gyűrűk (1497 cm-1 és 1506 cm-1 aromás C-C szerkezeti rezgés), mind pedig az észter kötés (1771 cm‑1 C=O nyújtási rezgés) roncsolását eredményezik.
2.
PTFE
fólia
adhéziójának
megnövelése Xe2* excimer
lámpa
alkalmazásával
A Teflon legközismertebb tulajdonsága az adhéziós viselkedése. Mivel igen alacsony felületi energiával rendelkezik, ezért nem nedvesíthető szinte semmilyen folyadékkal (kivéve néhány perfluorozott hidrokarbont) és önmagában nem is ragasztható. Mindez azt jelenti, hogy a PTFE hidrofób és oleofób is egyszerre. Ez azonban nem mindig kedvező tulajdonság, mivel gyakran van szükség valamely Teflonból készült tárgynak egy másikhoz való rögzítésére. Ekkor azonban a gyenge adhézió megakadályozza, hogy ezt a kötést ragasztással oldjuk meg. Kidolgoztunk azonban egy olyan eljárást, mely lehetővé teszi a Teflon minta felületi kémiájának, s ezen keresztül adhéziós tulajdonságának kontrollált módosítását. Ennek során a mintákat egy Xe2* excimer lámpával világítottuk meg vákuumkamrában 0.5-30 perces besugárzási időkkel. Ennek eredményeképpen jelentős mértékű adhézióváltozást értünk el.Elvégeztünk egy olyan kvantitatív vizsgálatot, melynek segítségével meg tudtuk határozni a kezelt Teflon réteg és egy adott ragasztó közötti kapcsolat szakítószilárdságát. Ennek során a vizsgálandó mintákat két plexi henger közé ragasztottuk UVRapid 20 típusú kétkomponensű epoxi ragasztóval. Öt nap kötési idő után az egyes hengerpárokat fokozatosan növekvő erővel húzni kezdtük ellentétes irányba, s megmértük, mekkora erő hatására tudjuk elszakítani a ragasztót a Teflon fóliától. Ezt az erőt elosztva a ragasztási felülettel, megkaptuk a szakítószilárdságot. Azt tapasztaltuk, hogy ennek értéke már a kétperces besugárzás esetén is meghaladhatja a 10 MPa-t!
- 1.
B. Hopp, Zs.
Geretovszky,
I. Bertóti
and
I. W. Boyd:
Comparative
tensile
strength
study
of
the
adhesion
improvement
of
PTFE by
UV photon
assisted
surface
processing,
Appl.
Surf. Sci.
7387, 2001
- 2. Zs. Geretovszky, B. Hopp, I. Bertóti and I.W. Boyd: “Photodegradation of polycarbonate under narrow band irradiation at 172 nm”, Appl. Surf. Sci. 7387, 2001
Foundation for Research and Technology Hellas
/Prof. Costas Fotakis/
FEMTOSZEKUNDUMOS
EXCIMER LÉZERREL
BESUGÁRZOTT POLIMEREK FELÜLETI REFLEXIÓ
VÁLTOZÁSÁNAK IDŐBELI
VIZSGÁLATA
Egy
500 fs
impulzushosszúságú, elosztott
visszacsatolású
festéklézer alapú 248.5
nm
hullámhosszú lézerrendszer UV
impulzusát ráfókuszáltuk a
polimer mintára egy
hengerlencsével. Az excimer impulzushoz képest
egy térbelileg
késleltetett 496 nm
hullámhosszú, 500 fs-os
festéklézert használtunk a
felületi reflexióképesség
változásának
vizsgálatára. Ez a
próbanyaláb a minta
felületéhez képest 45o-os
szögben megdöntve világította
meg az ablált
felületet. Az arról visszaverődött
nyalábot egy mikroszkóp objektívvel
képeztük le egy dióda sorra. A minta
kezeletlen részéről
reflektálódott
fényt egy réssel vágtuk ki.
Ezzel
az elrendezéssel elértük, hogy a minta
egyetlen UV impulzus hatására
bekövetkező tranziens
reflexióváltozását egyetlen
próbaimpulzus reflektált
intenzitásának
mérésével detektálni
lehessen. Ugyanis a besugárzott felületre
megdöntve beeső festéklézer impulzus
részei más és más
időpontban
érik el a felületet, s onnan visszaverődve
tükrözik annak adott
időpillanatbeli reflexiós állapotát. A
vizsgált minták polimetil(metakrilát)
(PMMA), polietilén(tereftalát)
(PET) és poliimid
(PI) voltak. A kísérletek során azt
tapasztaltuk, hogy mindhárom minta esetén
jelentősen megnő a
besugárzott felület
reflexióképessége az abláló
impulzus beeséséhez képesti 0-10 ps
tartományon.
Ennek oka az abláció során
a felületen keletkező
igen vékony (néhány száz nm)
rövid élettartamú plazma
tükör. A későbbi, esetlegesen UV
tükörként vagy ultragyors optikai
kapcsolóként való
alkalmazás szempontjából
megvizsgáltuk, alkalmas-e a fentebb
említett plazma tükör PI fólia
UV reflexióképességének
növelésére. A
kísérletek
szerint igen (az excimer lézer
energiasűrűségétől függő
mértékben),
amely igen fontos eredmény szubnanoszekundumos
excimer lézer impulzusok egyszerű
előállításában.
- 1.
B. Hopp, Zs.
Tóth, K. Gál, Á. Mechler,
Zs.
Bor, S. D. Moustaizis,
S. Georgiou
and
C. Fotakis:
“Time-resolved
investigation
of
transient
surface
reflection
changes
of
subpicosecond
excimer laser
ablated
liquids”
Appl.
Phys.
A 69, S191-194, 1999
- 2. Zs. Tóth, B. Hopp, Á. Mechler, Zs. Bor, S. D. Moustaizis, S. Georgiou, C. Kalpouzos and C. Fotakis: “Reflectivity transients on solid surfaces induced by 0.5 ps high power excimer laser irradiation”, Laser Physics vol.10, 241-245, 2000
Abteilung
Experimentelle Physik, Universität Ulm
/Prof. Otmar Marti/
Kristályos
Teflon vékonyrétegek
pulzáló üzemmódú
atomi erő
mikroszkópos vizsgálata
Impulzus
lézeres
leválasztási módszerrel Teflon
vékonyrétegeket
készítettünk
különböző hordozókra. A
mikroszkópos
vizsgálatok azt bizonyították, hogy
ezek szerkezete szemcsés, rücskös,
szivacsos jellegű. Ezért utólagos
hőkezelésnek vetettük alá
őket. Az alkalmazott hőmérsékletek 320, 360, 420
és 500 Co
voltak. Egy DAAD pályázat keretein belül
az
így kapott rétegek felületét
vizsgáltuk meg az Ulmi
Egyetemen. Ennek során egy pulzáló
üzemmódú atomi erő
mikroszkópot
használtunk a minták
morfológiájának és
adhéziós tulajdonságainak
vizsgálatára.
Kimutattuk, hogy az effektív felület, a
lokális adhéziós erők
és keménységek nagysága
jelentős mértékben függ a
kifűtés
hőmérsékletétől.
Megállapítottuk, hogy a
vékonyrétegek
minőségének,
keménységének,
homogenitásának
szempontjából a
legkedvezőbb utókezelési
hőmérséklet 360 oC
volt. A fűtési, hűtési
hőmérsékletek, sebességek megfelelő
beállításával több
száz mikrométeres nagyságú,
gyűrűs szerkezetű
kristályos Teflon rétegeket sikerült
előállítanunk.
N. Kresz,
J. Kokavecz,
T. Smausz,
B.
Hopp, M. Csete,
S. Hild,
O.
Marti: “Investigation
of
pulsed
laser
deposited
crystalline
PTFE thin
layer
with
Pulsed
Force
Mode
AFM”, közlésre
elfogadva a Thin
Solid
Film-be
Excimer
lézeres
besugárzással
felületkémiailag módosított
Teflon fóliák adhéziós
és morfológiai
vizsgálata
50
mikrométer
vastagságú Teflon fóliákat
sugároztunk
be alulról ArF excimer lézerrel. Az alkalmazott
energiasűrűség 0.4-9
mJ/cm2
volt. A minták
felületére folyékony abszorbenst, trietiléntetramint
rétegeztünk. A Teflon fólián
átmenő UV fotonokat ennek molekulái
nyelték
el, melyek ezután kémiai reakcióba
léptek a polimer molekulákkal. Ennek
eredményeképpen a Teflon molekulák
fluor atomjainak egy része
amin csoportokra cserélődik, megváltoztatva ezzel
a fólia felületkémiai
tulajdonságait. Ebben az esetben is egy
pulzáló üzemmódú
atomi erő
mikroszkópot használtunk a minták
morfológiájának és
adhéziós tulajdonságainak
vizsgálatára. Kimutattuk, hogy a
lézeres kezelés hatására
jelentősen
megnőtt a fólia adhéziója, amit
nedvesedési szög
méréssel
is alátámasztottunk. A vizsgálatok
során azt is demonstráltuk,
hogy humán sejtek kiválóan tapadnak a
kémiailag módosított
felületekhez, ami az
eljárás későbbi
gyógyászati alkalmazása
szempontjából fontos eredmény.
B. Hopp,
N. Kresz,
J. Kokavecz,
T. Smausz,
H. Schiefendecker, A.
Döring,
O.
Marti, Z. Bor:
“Adhesive and morphological characteristics of surface
chemically modified
polytetrafluoroethylene films” Appl.
Surf. Sci.
Leibniz-Institut
für Oberflächenmodifizierung e. V. (IOM)
Leipzig
1. Átlátszó anyagok lézeres megmunkálása
A hátoldali száraz és nedved maratás (laser-induced backside dry etching, LIBDE, valamint laser-induced backside wet etching, LIBWE) átlátszó anyagok precíz lézeres megmunkálására kidolgozott két, úgynevezett indirekt maratásos eljárás. A LIBWE jellemzője az alacsony maratási sebesség és az inkubáció, a LIBDE eljárásra pedig jellemző a relatíve nagy maratási mélység az első impulzusra, melyet követően a maratási sebesség jelentősen lecsökken. A kutatások célja annak a vizsgálata, hogy a két maratási mód jellemzőinek ötvözésével lehetőség van-e egy jól szabályozható megmunkálási eljárásra úgy, hogy a megmunkált anyag tulajdonságai ne térjenek el a kiinduló céltárgyétól. A német partner kutatók 2013-as szegedi látogatása során többek között ebben a témában végeztünk vizsgálatokat. A kísérletek során króm vékonyréteggel bevont ömlesztett kvarc céltárgyat sugároztunk be a Szegeden rendelkezésre álló KrF excimer lézerrel úgy, hogy a hátoldalon levő fém vékonyréteg mögött aceton volt abszorbens folyadékként. Így a fém vékonyréteg a száraz maratás, míg a mögötte levő aceton a nedves maratás kialakulásáért felelt. 1 J/cm2 energiasűrűség alkalmazásával az első impulzusra jelentős maratódás volt megfigyelhető, de a kombinált eljárásnak köszönhetően a maratás, habár alacsonyabb sebességgel, de további impulzusok esetén is folytatódott. Az eredményeink azt mutatják, hogy a kísérleti paraméterek (energiasűrűség, szilárd és folyadék abszorbens jellemzők) optimalizálásával lehetővé válhat egyenletes, többimpulzusos maratás megvalósítása.
2. Alacsony reflexiójú felületek létrehozása lézeres besugárzással
A fém felületek lézeres besugárzása
Az előzetes munka- és feladatmegosztási tervnek megfelelően 2013. áprilisában ellátogattunk Lipcsébe, a német partner intézetbe (IOM), ahol biztosították számunkra azon lézerrendszereket, melyekkel a vállalt kísérleti feladatokat, lézerkezeléseket meg tudtuk valósítani, melyek kutatócsoportunkban Szegeden nem lettek volna elérhetők. A felületmódosítást célzó kísérleteink során tömbi réz, arany és ezüst céltárgyakat sugároztunk be egy λ=775 nm központi hullámhosszú, 150 fs impulzushosszú és 1 kHz ismétlési frekvenciájú titán-zafír lézerrel. A lézer homogenizált nyalábját merőleges beesés mellett a minták felszínére fókuszáltuk, a kör alakú folt átmérője 250 µm volt, az impulzusok energiasűrűségét pedig 16-2000 mJ/cm2 tartományon változtattuk. Ahhoz, hogy egy nagyobb területet tudjunk módosítani, a mintát a felületének síkjában egy két-dimenziós motorizált eltolóval mozgattuk (1. ábra). A pásztázási sebesség függvényében az adott területet érő átlagos impulzusszámot 10 és 1000 között változtattuk. A besugárzott területek szórási/abszorpciós tulajdonságainak megváltozása szabad szemmel is jól látható volt.
1. ábra Az alkalmazott kísérleti elrendezés,
melyet a német partner biztosított számunkra.
Reflexió mérés
Ahhoz, hogy a reflexióban bekövetkező változást számszerűsíteni tudjuk, a besugárzott felületek fényvisszaverő-képességét egy NA=0,12 numerikus apertúrájú objektívvel felszerelt mikroszkópos spektrométerrel vizsgáltuk a 450-800 nm hullámhossz-tartományon szintén a lipcsei intézetben. Az eredmények feldolgozására természetesen nem volt elég a kint eltöltött két hét, a kiértékelési munkálatokat már Szegeden végeztük. A spektrumokat a kezeletlen területeken mért reflexiós értékekre normáltuk, így a minták eredeti reflexiójától függetlenedve könnyebben összehasonlíthatók voltak a különböző fémeken bekövetkező változások.
Az általunk választott legkisebb (16 mJ/cm2) energiasűrűség alkalmazása az ezüst mintáknál 100 impulzus után már jól látható fényvisszaverő-képesség csökkenést okozott, a besugárzott terület elsötétedett. A réz és arany esetén tapasztalt, az 1-et kevéssel meghaladó normált reflexió feltehetőleg a felületeken kezdetben jelen levő szennyeződések eltávolításából adódhat. 190 mJ/cm2 felett már mindhárom fém esetén jelentősen lecsökkent a felületek fényvisszaverő képessége, a nagyobb hullámhosszak felé csökkenő normált reflexió a sugárzás következtében kialakuló felületi érdességre utal. A 2.a ábrán látható, 550 nm-en mért reflexiós értékek jól mutatják, hogy 100 impulzussal való besugárzás hatására az energiasűrűség növelésével a reflexió kezdetben gyorsan csökken, 800 mJ/cm2 felett már mindhárom fém esetén kevesebb, mint 10%-a a kiinduló értéknek. A 2.b ábrán ugyancsak az 550 nm-en mért, de az impulzusszám függvényében ábrázolt normált reflexió értékét láthatjuk 190 mJ/cm2 energiasűrűség alkalmazása esetén. Ez kezdetben meredeken, majd egyre lassulva csökkent, 1000 impulzus után pedig már mindhárom fém esetén 5% alatti volt.
2. ábra Az 550 nm-es normált reflexió függése a lézer energiasűrűségétől 100 impulzus esetén (a)
és a reflexió függése a felületet ért impulzusok számától 190 mJ/cm2 energiasűrűség alkalmazása esetén (b).
Morfológiai vizsgálatok
A reflexiós adatok és a felületek strukturáltsága közötti összefüggések vizsgálatához a céltárgyak lézerrel kezelt területeinek mikro és nanoszerkezetét pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltuk meg Szegeden. A 3. ábrán jól látható, hogy főleg az arany és réz esetén 100 impulzus után már a legkisebb alkalmazott energiasűrűségnél (16 mJ/cm2) is strukturálódik a felület annak ellenére, hogy a szakirodalomban ezen fémek ablációs küszöbére néhány száz mJ/cm2 értékeket lehet találni. Az energiasűrűség növelésével a morfológiai változások jelentősebbé válnak, majd további növeléssel a struktúrák jellege állandósul. Ez az érdesedési tendencia összhangban van a felület fényvisszaverő képességének csökkenésével majd állandósulásával. A kezelt ezüst felületeken kialakult struktúrák nagymértékben különböznek az aranynál és réznél megfigyeltektől: míg az ezüst felületét szubmikrométeres mérettartományú visszafagyott olvadékcseppek borították, addig a másik két fém esetén egy hasonló jellegű, de kevésbé kompakt szerkezetet néhány nanométeres méretű részecskékből kialakuló korallszerű aggregátumok sokasága borította. 190 mJ/cm2 energiasűrűségnél a kialakult mintázat jellegének impulzusszám-függését vizsgálva azt kaptuk, hogy a jellegzetes struktúrák már az első 100 lézerimpulzus hatására kialakultak, a további besugárzás nem okoz további lényeges szerkezeti változást (4. ábra).
3. ábra Különböző energiasűrűségeknél 100 impulzus után kialakuló felületi mintázat.
4. ábra 190 mJ/cm2 energiasűrűségnél kialakuló felületi struktúrák.
A kapott eredmények értelmezése
Kísérleteink megmutatták, hogy a femtoszekundumos titán-zafír lézer alkalmas nem-reflektáló nanostruktúrák létrehozására réz, ezüst és arany felületeken. Annak ellenére, hogy a megfigyelt reflexió csökkenés hasonló mértékű volt, a kialakuló struktúrák jellege nagymértékben függött az alkalmazott céltárgy anyagától. A cseppek jelenléte a besugárzott felületen arra utal, hogy az olvadás-megszilárdulás ciklusoknak jelentős szerepe van az abszorbeáló felület kialakulásában. A réz és arany esetén kialakuló korallszerű szerkezet emellett intenzív párolgásra/forrásra utal. A lézersugárzás hatására kifejlődő sűrű ablációs anyagfelhőben az atomi mérettartományú elemek közötti nagyszámú ütközés következtében nanorészecskék jönnek létre (ezen alapul a femtoszekundumos lézerrel történő nanorészecske előállítás), melyek összetapadásából az ún. diffúzió limitált aggregáció folyamán alakulnak ki a korall formájú alakzatok. Az ütközések másik következménye, hogy az ablációs anyagfelhőben jelentős, a besugárzott felület felé irányuló anyagáramlás is fellép, melynek következtében a teljes elforró anyagmennyiség akár 20%-a is visszajuthat a felszínre. Ilyen módon a visszakerülő aggregátumok megtapadhatnak a felületen kialakult néhányszáz nanométeres cseppeken, kialakítva az arany és réz esetén megfigyelt morfológiát. Felvetődik a kérdés, hogy mivel magyarázható az ezüst eltérő viselkedése. Jól ismert az ezüstnek az a tulajdonsága, hogy olvadt állapotban nagy mennyiségű oxigént képes megkötni. Ez a mennyiség elérheti az olvadék térfogat hússzorosának megfelelő, 1 atmoszféra parciális nyomású O2-t. A lehűlés, megszilárdulás folyamán az ezüst leadja az oxigént és ez a „fröccsenéssel” járó gyors folyamat nanocseppeket eredményezhet, melyek a felszínre visszahullva hozhatják létre a megfigyelt szemcsés szerkezetet.
Az előzetes munka- és feladatmegosztási tervnek megfelelően 2014-ben is ellátogattunk Lipcsébe, a német partnerintézetbe (IOM), ahol biztosították számunkra a femtoszekundumos lézerrendszert, mellyel ezen munkaszakaszra vállalt kísérleti feladatokat, lézerkezeléseket meg tudtuk valósítani. A jelenlegi felületmódosítási vizsgálataink során a 2013-as munkaszakasz kísérleteinek szükséges kiegészítése volt a cél. Az eredmények kiértékelése során ugyanis felmerültek olyan kérdések, melyek megválaszolása a jelenség leírása szempontjából elengedhetetlenek, viszont ezeket az elmúlt évben nem vizsgáltuk. Ennek megfelelően a legutóbbi látogatásunk során tömbi titán, réz, arany és ezüst céltárgyakat sugároztunk be egy λ=775 nm központi hullámhosszú, 150 fs impulzushosszú és 1 kHz ismétlési frekvenciájú titán-zafír lézerrel. A kísérleti elrendezés megegyezett a korábbi munkaszakaszban alkalmazottal annyi különbséggel, hogy most a mintáinkat különböző gázok (levegő, nitrogén, oxigén és hélium) jelenlétében világítottuk meg a lézerrel. Ennek megfelelően a céltárgyakat egy kamrában helyeztük el, melybe a fentebb említett gázokat vezettük be. A lézer folt átmérője 250 µm volt, az impulzusok energiasűrűségét pedig 100-3000 mJ/cm2 tartományon változtattuk. A besugárzott területek szórási/abszorpciós tulajdonságainak megváltozása szabad szemmel is jól látható volt. Azonnal észlelhető volt például, hogy hélium gázkörnyezet alkalmazása esetén jelentős elsötétedés nem következett be egyik minta esetén sem.
Reflexió mérés
Ahhoz, hogy a reflexióban bekövetkező változást számszerűsíteni tudjuk, a besugárzott felületek fényvisszaverő-képességét egy NA=0,12 numerikus apertúrájú objektívvel felszerelt mikroszkópos spektrométerrel vizsgáltuk a 450-800 nm hullámhossz-tartományon szintén a lipcsei intézetben. Az eredmények feldolgozására természetesen nem volt elég a kint eltöltött egy hét, a kiértékelési munkálatokat már Szegeden végeztük, végezzük jelenleg is.
3. Rácskészítés ultrarövid lézerimpulzusokkal; rácsok vizsgálata
A projekt keretében mikrométeres periódusú rácsokat készítettünk ultrarövid lézerimpulzusokkal átlátszó tömbanyagokba és vékonyrétegekbe. A rácsok létrehozását a német partner lipcsei laboratóriumiban, femtosztekundumos lézerrendszerével valósítottuk meg áprilisi látogatásunk során.
1000 nm-es periódusú rácsokat készítettünk két-nyaláb interferenciás módszerrel 775 nm hullámhosszú 150 fs-os Ti:Sa alapú lézerrel átlátszó vékonyrétegekbe (hordozó: ömlesztett kvarc; rétegek: Al2O3, Y2O3, HfO2) és tömbanyagokba (üveg, zafír, ömlesztett kvarc). Kísérleteink során változtattuk a mintára eső impulzusenergiát (700-900 J), valamint a lézerimpulzusok számát (1-1000).
Az elkészített rácsokat profilométerrel és atomi erő mikroszkóppal (AFM) már Szegeden vizsgáltuk meg. Ellenőriztük, hogy a rács biztosan a megcélzott rétegben legyen, valamint megvizsgáltuk AFM-mel a struktúrák minőségét, jellemző paramétereit.
Eredményeink szerint a megmunkálási küszöbenergia ~800 J. Az 5-nél több lézerimpulzus alkalmazása a vékonyrétegek esetén nem eredményes, mert a vékonyréteget maradéktalanul eltávolítja, ami alkalmatlanná teszi a további használatra.
További célok:
-
rácsperiódus csökkentése a beesési szög növelésével
-
fémrácskészítés, más anyagok használata
-
felszín analízisének további elemzése
-
anyagösszetétel vizsgálata
A projekt keretében mikrométeres periódusú rácsokat készítettünk ultrarövid lézerimpulzusokkal átlátszó tömbanyagokba és vékonyrétegekbe. A rácsok létrehozását a német partner lipcsei laboratóriumaiban, femtosztekundumos lézerrendszerével valósítottuk meg korábbi látogatásunk során. Az optikai rácsok elkészítéséhez kétféle, két-nyaláb interferenciás elrendezésben használt lézeren alapuló technikát alkalmaztunk: egyrészt az indirekt, ún. lézeres hátoldali folyadékos maratást (TWIN-LIBWE) (1.a ábra), másrészt a szintén interferencián alapuló, ultrarövid impulzushosszú lézerrel történő közvetlen anyageltávolítást, ablációt (5.b ábra).
5.
ábra A
rácskészítéshez
használt kísérleti
elrendezések. TWIN-LIBWE
(baloldali kép);
rövid impulzusú abláció
(jobboldali kép)
A tömbanyagok közül az ömlesztett kvarcot, zafírt és üveget alkalmaztunk céltárgyként. Ez utóbbi nem átlátszó az indirekt eljárás UV lézerének hullámhosszán (266nm), ezért csak a femtoszekundumos lézerekkel próbálkoztunk, azonban az ezzel készített üvegrácsokon olvadásra utaló jeleket figyeltünk meg azok atomierő-mikroszkópos képein (5.e ábra). Tömbanyagokra vonatkozó eredményeinket a 6. ábrán szemléltetjük.
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
|
a) | b) | c) | d) | e) |
6. ábra AFM képek: ömlesztett kvarc céltárgy: TWIN-LIBWE (a), femtoszekundumos abláció (b); zafír céltárgy: TWIN-LIBWE (c), femtoszekundumos abláció (d); üveg céltárgy, femtoszekundumos abláció (e)
Az elkészített minták vizsgálatát, az eredmények kiértékelését Szegeden végeztük. Ömlesztett kvarc esetén az indirekt eljárás előnye elvitathatatlan, mind a rácsminőség, mind az elérhető modulációs mélység tekintetében. Zafír esetében azonban nincs lényeges különbség a két különböző lézeren alapuló eljárás által készített rácsok között.Ez utóbbi állítás a vékonyrétegek esetén nem ilyen egyértelmű: ömlesztett kvarcra leválasztott Al2O3 és Y2O3 rétegek esetén az indirekt eljárás bizonyos kísérleti paraméterek esetén jó eredményt szolgáltat, míg az ultrarövid impulzusokkal nem lehet elfogadható minőségű rácsot készíteni e két anyagba. HfO2-ba egyik vizsgált eljárással sem lehetett használható rácsot készíteni, a ZrO2 réteget ellenben csak a femtoszekundumos impulzusok interferenciáját megvalósító elrendezésben sikerült készíteni. Teszteltük a vékonyrétegbe készített rácsokat optikai hullámvezető szenzorba való becsatolásra (OWLS). A 7. ábrán az erről készült fotók láthatók. Meghatározott szögekben sikerült egy HeNe lézer 632 nm-es nyalábját becsatolni a vékonyrétegekbe az elkészített rácsok segítségével.
7. ábra Fotók a rács segítségével vékonyrétegbe csatolt HeNe nyalábról; (a) 1000 nm Al2O3, p=1 µm; (b) 200 nm Y2O3, p=470 nm
A kísérleteinkből megállapítható, hogy a kisebb hullámhossz miatti jobb feloldás érdekében célszerű lehet a nanoszekundumos UV (266 nm) impulzusokon alapuló közvetett eljárást választani (mely több vizsgált esetben szolgáltatott jobb minőséget), azonban bizonyos anyagoknál, az ultrarövid impulzusú lézerek bizonyulnak előnyös választásnak.
4. Megnövekedett sűrűségű, kompaktabb, újszerű anyagstruktúrák kialakítása nagyintenzitású lézeres besugárzással
Ezen projekt során a célunk az volt, hogy lefókuszált nagyintenzitású lézerimpulzussal plazmát hozzunk létre transzparens mintákban, mely nagysebességű tágulása révén lökéshullámot kelt a környező anyagban. A hullámfrontban uralkodó extrém nagy nyomás eredményeképpen a feltételezések szerint kialakulhatnak szupersűrű, vagy megváltozott kristályszerkezetű vékonyrétegek is. A terveink szerint ilyen rétegeket állítunk elő és vizsgálunk kutatómunkánk során. Első lépésként 2014-es látogatásunk során a német partnerintézetben az ottani λ=775 nm központi hullámhosszú, 150 fs impulzushosszú és 1 kHz ismétlési frekvenciájú titán-zafír lézer nyalábját egy mikroszkóp objektívvel (NA=0,8) belefókuszáltuk LiNbO3, YVO4, CaCO3, zafír, ömlesztett kvarc és KTP mintákba. A pásztázó rendszert úgy állítottuk be, hogy egyszerre, egy adott energiasűrűség esetén 50 x 50-es pontmátrixot tudjunk kialakítani. Az előzetes mikroszkópos mérések szerint az így kialakított üregek átmérője ~2 mikrométer volt (8. ábra).
8. ábra LiNbO3 kristályban kialakított pontmátrix optikai mikroszkópos képe
A rendelkezésre álló kísérleti időnek megfelelően a betervezett kísérleteket végrehajtottuk, a minták részletes vizsgálata jelenleg is folyamatban van.
5. Ömlesztett kvarc lapon elhelyezkedő króm vékonyrétegek lézeres nanostruktúrálá-sának időfelbontásos vizsgálata
Korábbi vizsgálatok kimutatták, hogy a fém vékonyrétegek lézeres besugárzása által kiváltott olvadás és deformáció nanostruktúrák kialakulásához vezethet. A jelenség nagymértékben függ a fémrétegek vastagságától, valamint az alkalmazott lézernyaláb energiasűrűségétől. A folyamat jobb megértése érdekében a lipcsei kollégákkal a szegedi laboratóriumunkban végeztünk el egy kísérletsorozatot a 2014. évre tervezett látogatásuk alkalmával. Intézetünkben ugyanis már nagy gyakorlatra tettünk szert az időfelbontásos, pump-and-probe jellegű vizsgálatok terén, melyekhez a szükséges eszközrendszer a rendelkezésünkre áll. Amint a kísérleti elrendezést mutató mellékelt ábrán is látható, egy CCD kamerára szerelt mikroszkóppal figyeltük meg a besugárzott felület impulzusról-impulzusra történő megváltozását, míg ugyanezen felület reflexiójának és transzmissziójának a lézerimpulzus alatti (és közvetlenül azt követő) változását nanoszekundumus időskálán is mérni tudtuk. Ez utóbbi információ elengedhetetlenül szükséges volt a nanostruktúrák kialakulási dinamikájának megértéséhez.
9. ábra Az alkalmazott kísérleti elrendezés felépítésének vázlata
10. ábra Ugyanazon felület többszörös besugárzása során kialakuló struktúrák impulzusról-impulzusra történő evolúciója (bal oldal) és az első impulzus során bekövetkező gyors transzmisszió és reflexióváltozás (jobb oldal).
A lejátszódó folyamatok leírására sikerült egy összetett, hővezetési és folyadékáramlási összefüggéseket felhasználó modellt alkotni, melynek szimulációs eredményei jól egyeznek a kísérletileg megfigyelt nanostruktúra kialakulási dinamikával. Az elért eredmények felhasználhatók véletlenszerű térbeli eloszlású nanostruktúrák kontrollált paraméterekkel (méreteloszlás, belső struktúra) való előállítására. Az eredményekből született cikk megjelenés alatt áll.
6. Flexibilis hordozón elhelyezkedő vékonyrétegek lökéshullámmal elősegített megmunkálásának gyorsfényképezéses vizsgálata
A réz-indium-gallium-diszelenid (CIGS) flexibilis napelem-panelek megmunkálására ígéretes eljárásnak tűnik a lökéshullámok által indukált lézeres strukturálás, melynek során a flexibilis polimer hátoldalának impulzuslézeres ablációja olyan lökéshullámot kelt a hordozóban, amely a túloldalon elhelyezkedő vékonyréteg-szerkezetet egy kis területen eltávolítja a hordozóról. A mechanizmus pontosabb megértése érdekében a német partnerintézet kutatóinak 2014-es szegedi látogatásakor egy, a folyamat időfelbontásos vizsgálatára alkalmas speciális gyorsfényképező rendszert építettünk. A kísérletek során egy CIGS vékonyréteg szerkezetet hordozó poliimid fólia csíkot sugároztunk be excimer lézerrel, miközben egy mikroszkóppal felszerelt kamera oldalnézetből „figyelte” a céltárgyat. A gyorsfényképezéshez vakuként egy, az abláló lézerhez képest időben megfelelő módon késleltetett festéklézer impulzust alkalmaztunk. Mint az alábbi képsorozaton látható, a késleltetés változtatásával pillanatképeket készítve nanoszekundumos időskálán is meg lehetett figyelni a lejátszódó folyamatokat. A felvételek alapján a CIGS vékonyréteg ~400 m/s sebességű törmelék formájában válik el a hordozótól.
11. ábra A lézerimpulzus a fólia felületét bal oldalról érkezve éri, a túloldalon látható a CIGS vékonyréteg-szerkezet leválása törmelékek formájában.
A kísérleti eredmények kiegészítéseként szimulációs számítások készültek, melyek szerint a CIGS szerkezet eltávozását teljes egészében a lézer által kiváltott lökéshullám mechanikai hatása okozza. Az eredmények alapján kijelenthető, hogy a lökéshullámmal elősegített indirekt megmunkálás jó alternatívája lehet a CIGS vékonyrétegek közvetlen lézeres ablációjának. Az eredményekből született cikk megjelenés alatt áll.
47. Az együttműködés fontossága, értékelése
Az együttműködés olyan mértékben fontos volt az elért eredmények szempontjából, hogy nélküle ezen vizsgálatok végrehajtása nem is lett volna lehetséges, mivel a Lipcsében alkalmazott lézerrendszerek Szegeden nem állnak rendelkezésre, míg a német kutatók által alkalmazott gyorsfényképező elrendezés pedig Szegeden van megépítve, illetve a Lipcsében elvégzett kísérletek eredményeinek kiértékelése itthon történt, szegedi kutatók végezték el az eredmények feldolgozását és a morfológiai, elektronmikroszkópos vizsgálatokat, a Szegeden elért eredményeket pedig a német kollégák a partnerintézetben értékelték ki, az elméleti modellszámításokat az ottani számítógépes rendszerrel végezték el. Mindez azt jelenti, hogy a pályázat során hatékonyan összefogtuk és alkalmaztuk a két partnerintézet humánerőforrásait és eszközparkját. A támogatás tette lehetővé, hogy egymást szervesen kiegészítve tudjunk a tudomány élvonalába tartozó eredményeket elérni. Ezt az is jelzi, hogy a kutatott témák során elért eredmények nemzetközi folyóiratokban, rangos szakmai konferenciákon kerültek publikálásra.
A pályázat során magyar részről 3 posztdoktor (Dr. Hopp Béla, Dr. Smausz K. Tomi és Dr. Vass Csaba), 2 PhD ösztöndíjas (Kiss Bálint és Csizmadia Tamás) és 1 Fizika BSc szakos hallgató (Gera Tamás) látogatott el a német partnerintézetbe, s az elért eredmények itthoni feldolgozásába egy Fizika BSC-s (Orosz László) és három Fizika MSc-s hallgató (Bengery Zsolt, Flender Roland és Felházi Zoltán) is bekapcsolódott. A hallgatók szempontjából mindez jó tapasztalatszerzési alkalom volt, mivel olyan eszközökkel dolgozhattak, melyekhez amúgy itthon nem férnének hozzá, ismeretséget köthettek külföldi kutatókkal, megismerhettek más kutatóintézetet, gyakorolhatták a szaknyelvet és a nemzetközi csoportmunkát.
A pályázat során elért eredmények rangos nemzetközi szakmai konferencián poszterek, előadások, illetve a fentebb említett referált, angol nyelvű folyóiratcikk formájában kerültek bemutatásra. (Tervezünk még két másik kéziratot is beküldeni a legújabb eredményeinkről.) Ezek fogadtatása szakmai berkekben nagyon kedvező volt, s terveink szerint még további fontos kísérletek elvégzése lenne lehetséges a kutatott témákban a jövőben. Bízunk benne, hogy a bizonyítottan hatékony kutatási egyetműködésünk valamilyen formában a jövőben is folytatódhat majd, ami mindkét fél és mindkét ország tudományos életének javára válhat.
National
Institute for Laser
Plasma & Radiation Physics (INFLPR)
Laser Department
Bucharest
Biológiai eredetű és biokompatibilis anyagokból történő vékonyréteg-előállítás
5%-os
ureáz-oldatból
különböző energiasűrűségek mellett
KBr
tablettára
leválasztott ureáz
vékonyrétegek FTIR spektrumai
Különböző
koncentrációjú oldatokból
MAPLE-lel
leválasztott vékonyrétegek
spektrumai
PLD-vel
készített réteg spektruma (F=400 mJ/cm2)
Az
1 (a), 5 (b) és 10%-os (c) oldatokból MAPLE-lel
és PLD-vel (d)
készített rétegek
elektronmikroszkópos
képei 1000-szeres nagyítással.
Az
1 %-os oldatból MAPLE-lel (a) és a PLD-vel (b)
készített rétegeken
található
tipikus
szemcsék elektronmikroszkópos képe
10000-szeres nagyítással.