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. 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. 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 45^o-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. 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. 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 C^o 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.