Sử dụng Laser Nd:Yag xử lý màng mỏng bằng kim loại

Trong chương này, chúng tôi trình bày và thảo luận về một loạt các kết quả thực nghiệm trên quá trình xử lý laser Nd: YAG xung ngắn (nano giây) và siêu ngắn (pico giây) của các màng mỏng kim loại. Từ đó, chúng ta có thể lựa chọn vật liệu, xác định và đánh giá được các màng mỏng molypden (Mo) và titan (Ti) (có thể lắng đọng trên đế thủy tinh và các tấm silicon bằng kỹ thuật phún xạ magnetron DC). Bài viết sẽ đưa ra dẫn chứng cụ thể từ các nghiên cứu các tính năng cắt bỏ trên các vật liệu đã chọn; đã xác định, thực hiện trên các thí nghiệm xử lý bằng tia laze với các ngưỡng phát năng lượng phù hợp.

Mời quý bạn đọc cùng xem xem qua! Bài viết được dịch từ ND YAG LASER – Edited by Dan C. Dumitras; Chương nội dung được trích dẫn từ (trang 23-41) by Santiago Camacho-López et al.* Departamento de Óptica, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Carretera Ensenada- Tijuana, Zona Playitas, Ensenada, Baja California México

1. Giới thiệu về ứng dụng laser Nd:Yag xử lý màng mỏng bằng kim loại 

Laser Nd: YAG được xem là loại laser được sử dụng rộng rãi trong các cuộc nghiên cứu hoặc cho các ứng dụng công nghiệp và công nghệ (Dubey, A. K. & Yadava, V. 2008). Những tia laser này cũng là nguồn phát laser tuyệt vời để phát triển laser, ví dụ như laser xung siêu ngắn  CW từ nguồn phát Nd: YAG.

Trong công nghiệp, Laser Nd-YAG đã được ứng dụng để nghiên cứu quá trình oxy hóa do laser gây ra với kim loại như titan và crom; chất bán dẫn như silicon (Aygun, G. và cộng sự, 2006). (Perez del Pino, A. và cộng sự, 2004); Xung laser Nd: YAG đã được sử dụng để tạo ra sự biến đổi pha từ màng mỏng W3O sang WO3 (Evans R., et al., 2007); cắt laser để gia công vi kim loại khối lượng lớn như đồng, đồng và nhôm cũng đã được thực hiện bằng cách sử dụng xung nano giây Nd: YAG (Maisterrena-Epstein R., et al., 2007);

Trong quá trình oxy hóa do tia laser gây ra có sự hình thành LIPSS trên màng mỏng titan lắng đọng trên nền silicon đã được chứng minh bằng cách sử dụng một chùm tia laser đơn lẻ từ tia laser xung nano giây Nd: YAG có tần số gấp đôi (Camacho-Lopez S., et al., 2008).

Một số công trình về quá trình oxy hóa bằng laser xung (Dong, Q. và cộng sự, 2002). (Pereira, A. et al. 2004) đã nghiên cứu phương pháp xử lý bằng laser trong việc chiếu xạ thép ở các bước sóng khác nhau bằng cách sử dụng các nguồn laser khác nhau.

Trong Bảng 1 bên dưới, chúng tôi đã trích dẫn một số công trình về quá trình oxy hóa gây ra bởi chiếu tia laser xung vào các kim loại khác nhau. Gần đây, chúng tôi đã công bố kết quả về quá trình oxy hóa laser fs trong màng mỏng molypden (Cano-Lara, M. et al., 2011).

(Herman và cộng sự, 2006) đã nghiên cứu sự cắt bỏ màng mỏng molypden bằng các xung laser ngắn và siêu ngắn. Đây là nghiên cứu đầu tiên với Nd: YAG để khảo sát quá trình oxy hóa bằng laser xung trong màng mỏng molypden.

1.1 Một số ưu điểm của oxit kim loại do laze tạo ra

1. Quá trình oxy hóa qua laser có thể được thực hiện trong không khí, do đó không cần thiết phải có những yêu cầu bắt  buộc về không gian thực hiện..
2. Thời gian cần thiết để đạt được một pha tinh thể và phân tầng nhất định là rất nhanh so với xử lý nhiệt thông thường.
3. Có thể thực hiện phương pháp này để tạo phân giải không gian cao cho các oxit kim loại. Kích thước được xác định bởi giới hạn nhiễu xạ quang học, do đó có thể có các “điểm ảnh” từ quá trình oxit kim loại theo thứ tự của bước sóng ánh sáng laser.
4. Trong một số trường hợp, quá trình oxy hóa do laser gây ra đi kèm với sự hình thành cấu trúc bề mặt tuần hoàn do laser (LIPSS) gây ra. Titanium dioxide là một vật liệu quan trọng do có nhiều ứng dụng.

• Titanium dioxide là một vật liệu tương thích sinh học; ở dạng màng mỏng,TiO2 có các ứng dụng như một lớp phủ chống phản xạ hoặc lớp phủ chống ăn mòn. Ngoài ra, titanium dioxide còn có các ứng dụng làm vật liệu cảm biến khí, trong xúc tác quang, trong số những ứng dụng khác (Linsebigler A. M. và cộng sự, 1995). Ai cũng biết rằng TiO2 tồn tại dưới dạng vật liệu kết tinh trong ba pha: anatase, rutil và brookit (Beattie, I. R., Gilson, T. R. 1969).
• Molypden oxit là vật liệu hấp dẫn do các ứng dụng công nghệ tiềm năng của nó. MoO3 có các đặc tính quang, điện và khí (Livage, J. & Ganguli, D. 2001). Ví dụ, vật liệu này có thể được sử dụng trong cảm biến khí, xúc tác, cửa sổ thông minh, pin siêu nhỏ lithium (Dieterle, M. 2001). MoO2 có những ứng dụng tiềm năng như một vật liệu catốt trong lĩnh vực vi sóng; phát xạ trường, và cả xúc tác (Jun, Z. et al. 2003; Wang F. & Lu B. 2009; Mikhailova, D. et al. 2011).
• Kỹ thuật “vi Raman” rất hữu ích trong việc thu thập thông tin về thành phần và cấu trúc của vật liệu đang được tác động từ chiếu xạ laser. Các nghiên cứu về không gian có thể được thực hiện vì chùm tia laze có ưu điểm Tiêu điểm tác động được xuống mẫu với đường kính 2 m (Witke, K. và cộng sự 1998). Ví dụ, chúng tôi đã thu được thông tin và giúp giải quyết trong không gian về loại vật chất có khả năng được hình thành thông qua một màng mỏng molypden được chiếu xạ bằng xung laser fs (Cano-Lara, M. và cộng sự, 2011).
• Phương pháp thực hiện để đánh giá sự hình thành cấu trúc bề mặt tuần hoàn do tia laser (LIPSS) gây ra, và quá trình oxy hóa do tia laser gây ra trên màng kim loại. Kết quả của chúng tôi cho thấy có thể tạo ra MoO2 và TiO2 bằng laser bên trong vùng chiếu xạ; chúng tôi cũng nhận thấy rằng đối với một số điều kiện chiếu xạ laser nhất định, có thể thu được sự hình thành LIPSS do sự phân cực của chùm tia ghi lại. Đặc điểm của màng mỏng kim loại được chiếu xạ bằng tia laze chủ yếu bao gồm phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp quang phổ Raman vi mô.

1.2 Xử lý các màng mỏng kim loại bằng laser 

Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng laser (xem Hình 1) bao gồm giai đoạn và điều kiện: dịch trục x-y-z laser thông qua điều khiển bằng máy tính, mẫu được giữ một cách thuận tiện; đơn vị chùm tia laze từ một nano giây (ns) hoặc một pico giây (ps), tần số tăng gấp đôi, tia laze Nd: YAG xung được sử dụng để chiếu xạ các mẫu ở tần suất bình thường; chùm tia laze có thể được hội tụ hoặc không hội tụ vào mẫu.

Quá trình chiếu xạ laser được thực hiện ở tốc độ lặp lại 10 Hz, sử dụng một chùm tia đơn lẻ, chú ý sử dụng lượng laser trên mỗi xung dưới ngưỡng cắt đốt cho các màng kim loại đã chọn.

Độ flow laserlaser được phân phối và được kiểm soát bằng một bộ laser yếu hơn – bộ này được làm bằng tấm nửa sóng và tấm phân cực. Một tấm nửa sóng phụ, hoặc một phần tư sóng, được sử dụng để thay đổi từ phân cực tuyến tính sang phân cực tuyến tính với định hướng khác, hoặc từ phân cực tuyến tính sang phân cực tròn.

Các màng mỏng kim loại lắng đọng được tiếp xúc với một loạt hàng nghìn xung.

Cặp laser Nd: YAG giúp gấp đôi tần số: a Continuum, minilite II, thời lượng xung 9 ns; và một Ekspla, thời lượng xung 30 ps, được sử dụng để chiếu xạ các mẫu màng mỏng kim loại trong không khí. Các thông số chiếu xạ laser mà chúng tôi sử dụng trong các thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3 và 4.

1.3 Đặc tính của màng mỏng Titan và Molypden lắng đọng và các vị trí tiếp xúc với chất dẻo

Màng mỏng molypden và titan lắng đọng được đặc trưng bởi nhiễu xạ tia X (Bruker D8 Advance với máy dò Linxeye) với nguồn bức xạ Cu K ( = 1.5406 Å) và Kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phân tích SEM được thực hiện bằng kính hiển vi JEOL JSM-6510LV ở “chế độ chân không” cao.

Các mẫu đặc trưng không có bất kỳ lớp phủ dẫn điện nào với các điện tử thứ cấp; điện áp gia tốc là 20 kV. Phân tích AFM được thực hiện bằng cách sử dụng Veeco CP-II ở chế độ tiếp xúc với đầu silicon nitride. Kích thước được quét là 5×5 micron. Vật liệu bị biến đổi thành oxit kim loại trong quá trình chiếu xạ – theo tính đặc trưng bởi quang phổ micro Raman.

Một hệ thống Raman vi mô (LabRaman HR-800 của Jobin – Yvon-Horiba) đã được sử dụng

để chạy và chụp phổ Raman vi mô. Vạch 632,8 nm của laser He – Ne được sử dụng để kích thích vật liệu và công suất laser tại mẫu là 5 mW. Kính hiển vi quang học Olympus BX-41 được sử dụng để tập trung chùm tia laze xuống mẫu và thu thập ánh sáng tán xạ. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng vật kính 100X của kính hiển vi.

2. Kết quả thực nghiệm laser Nd:Yag xử lý màng mỏng bằng kim loại 

2.1 Sự nhiễu xạ tia X của các màng mỏng lắng đọng

Hình 2 cho thấy các mẫu XRD cho các màng mỏng titan và molypden lắng đọng rải rác. Mẫu XRD titan (Hình 2a) chứa các đỉnh tương ứng với các mặt phẳng phản xạ (002), (101), (102) và (103), theo tài liệu tương ứng với pha -Ti. Các đỉnh nhiễu xạ trong trường hợp của màng mỏng molypden (Hình 2b) tương ứng với mặt phẳng phản xạ (110) và (220). Điều này chỉ ra rằng các màng mỏng molypden thu được là các pha lập phương.

2.2 Sự hình thành LIPSS được đặc trưng bởi AFM

2.2.1 Chiếu xạ laser xung Titan / Silicon và xung ns

Một màng mỏng Titan dày 320 nm lắng đọng trên silicon (100) được chiếu xạ bằng cách sử dụng laser Nd: YAG có tần số gấp đôi tần số, với xung thời lượng 9 ns ở tốc độ lặp lại 10 Hz và Tần số năng lượng laser trên mỗi xung là 0,24 J / cm2. (Hình 3) cho thấy rõ ràng sự hình thành của các cấu trúc bề mặt tuần hoàn do laser gây ra (LIPSS), một hiệu ứng như vậy xảy ra do áp dụng hàng nghìn xung. Sự hình thành của LIPSS cho mức phơi sáng 4000 xung:

• Hình 3a, cho thấy Hình ảnh AF từ vùng không chiếu xạ trong màng mỏng lắng đọng, có thể xác định được bề mặt nhẵn đồng nhất, nó được cấu tạo bởi một lớp hạt nano nhỏ gọn.
• Hình 3b-d cho thấy kết quả phơi sáng laser trên phim Ti; khi sử dụng chùm tia phân cực tuyến tính hoặc tròn, bề mặt phim có những thay đổi đáng kể.
• Trong Hình 3b-c, một chùm tia phân cực tuyến tính đã được sử dụng, lưu ý rằng trong những trường hợp đó, các cấu trúc giống như cách tử được hình thành, có định hướng tuân theo hướng phân cực của tia laze (được biểu thị bằng mũi tên màu xanh lam và chữ E là viết tắt của điện trường ánh sáng); chúng ta phải quan sát rằng các cấu trúc giống như cách tử được bao phủ bởi các miệng núi lửa phân bố bán định kỳ. Nếu chúng ta chuyển từ định hướng phân cực tuyến tính laser nhất định sang định hướng phân cực tuyến tính trực giao thì cấu trúc giống cách tử tuân theo định hướng phân cực.
• Một kết quả thú vị và được mong đợi được thể hiện trong Hình 3d, nơi người ta nhận thấy rằng khi sử dụng phân cực tròn thì không có sự hình thành LIPSS nào cả, tuy nhiên, một loạt các miệng núi lửa có đường kính vài trăm nanomet được hình thành. Những hố thiên thạch đó có cùng bản chất với những hố được hình thành trên cấu trúc giống như cách tử dưới sự phơi nhiễm phân cực tuyến tính; như đã thảo luận trong (S. Camacho-Lopez và cộng sự, 2008) những hố thiên thạch này có thể được hình thành do các hiệu ứng trường tăng cường, sẽ tạo ra sự cắt bỏ tại các vị trí cụ thể có kích thước dưới thang bước sóng. Cũng lưu ý rằng các hạt nano ban đầu tạo thành màng mỏng dường như bảo quản tốt dưới sự phơi nhiễm ánh sáng phân cực tròn.
• Trong Hình 3e, chúng ta có một mặt cắt ngang từ một trong những cấu trúc giống như cách tử là kết quả của sự phơi nhiễm phân cực tuyến tính. Có thể dễ dàng nhận thấy tính tuần hoàn của các rãnh theo thứ tự của bước sóng laser (532nm); thực tế này đã được biết đến nhiều trong tài liệu LIPSS. Tuy nhiên, chúng ta phải lưu ý trong trường hợp này rằng trong khi phần lớn các báo cáo về LIPSS trong kim loại, sự hình thành LIPSS xuất phát từ việc sử dụng các tia laser vượt quá ngưỡng nóng chảy và thậm chí đốt cháy (Sipe, JE và cộng sự, 1983; Young, JF, et a., 1983); trong trường hợp của chúng tôi, các tính năng LIPSS không phải là kết quả của quá trình nóng chảy hoặc cắt bỏ, mà là kết quả của quá trình oxy hóa màng Ti do tia laser gây ra. S. Camacho-Lopez và cộng sự, đã báo cáo, lần đầu tiên vào năm 2008, LIPSS được làm từ một oxit kim loại. Một tính năng thú vị là trong khi hầu hết các công việc được báo cáo, định hướng LIPSS vuông góc với định hướng phân cực của tia laser, trong trường hợp hiện tại, dạng LIPSS được định hướng nhất quán song song với phân cực chùm tia laser.

Về các hiệu ứng phụ từ quang học do sự hình thành LIPSS, chúng ta phải đề cập rằng hệ số phản xạ chọn lọc góc thu được khi mẫu đã xử lý được chiếu sáng xiên dưới ánh sáng trắng và mẫu được quay xung quanh bình thường so với bề mặt của nó (Camacho-Lopez S., et al., 2008). Nếu góc tới của chùm ánh sáng trắng thay đổi thì toàn bộ lựa chọn màu sắc sẽ thu được do nhiễu xạ ra khỏi các cấu trúc giống như cách tử.

2.2.2 Chiếu xạ laser xung molypden / thủy tinh và xung ps

Đối với trường hợp của molypden, một màng mỏng lắng đọng trên thủy tinh được chiếu tia laser với tần số gấp đôi laser xung Nd: YAG ps sử dụng các thông số đã nêu ở trên (Bảng 4). Chúng ta dễ dàng thu được sự hình thành LIPSS, (như thể hiện trong Hình 4) đối với một số xung thấp đến 2000.

Sự hình thành LIPSS trong trường hợp này được định hướng vuông góc với phân cực tuyến tính của chùm tia laze (Hình 4a). Lưu ý rằng các miệng núi lửa như trong (Hình 3) không được hình thành trong trường hợp này. Một đặc điểm khác cần lưu ý ở đây là thực tế là chu kỳ LIPSS theo thứ tự gấp đôi bước sóng laser (Hình 4b).

Điều quan trọng là chỉ ra rằng một loại cấu trúc hình nón có thể được xác định để bao phủ sự hình thành LIPSS chính; cấu hình AFM 3-D của các cấu trúc hình nón như vậy được trình bày trong (Hình 4c), đối với trường hợp một điểm đã được chiếu xạ bằng xung laser 2000 ps.

2.3 Sự hình thành LIPSS được đặc trưng bởi SEM

2.3.1 Titan / thủy tinh để chiếu xạ laser xung ns và ps

Màng mỏng kim loại được lắng đọng (trên đế thủy tinh), đối với cả kim loại (Titan và Mo) – bề mặt nhẵn và đồng nhất titan trong (Hình 5a) và molypden trong (Hình 6a) – cho thấy cấu trúc hạt nano rất nhỏ gọn; trong khi trong trường hợp molypden lắng đọng, cấu trúc xốp nano chiếm ưu thế trong kết cấu bề mặt màng mỏng titan (dày 500 nm) được chiếu xạ bằng cách sử dụng xung laser 9 ns (xem Bảng 3) và lưu lượng trên mỗi xung là 0,08 J / cm2, ở tốc độ lặp lại 10 Hz; từ Hình 5b, chúng ta có thể quan sát thấy rằng sau 4000 xung, bề mặt của màng mỏng kim loại hầu như không bị thay đổi về hình thái và kết cấu của nó.

Một vài vết nứt đã thấy rõ  nhưng lớp hạt nano vẫn chưa hiện rõ trên màng titan. Chúng ta thấy rằng: mặc dù thiếu sự hình thành LIPSS, thì hiệu ứng oxy hóa do tia laser gây ra trên màng mỏng Titan – đây được gọi là đặc tính Raman vi mô.

Khi màng mỏng titan (dày 500 nm) được chiếu xạ bằng laser có thời lượng xung 30 ps, tốc độ lặp lại 10 Hz và mỗi xung phân phối độ mịn 0,24 J / cm2 và số lượng xung được đặt thành 2000, màng được sửa đổi đáng kể . (Hình 5c) cho thấy: hình ảnh hiển vi SEM điển hình của điểm được chiếu xạ, nơi chúng ta có thể thấy sự hình thành LIPSS theo cách tương tự như chúng ta đã quan sát trong trường hợp titan trên nền silicon được chiếu xạ bằng xung laser ns.

Cần phải lưu ý rằng các tính năng LIPSS trong trường hợp chiếu xạ laser ps có một số khác biệt so với kết quả chiếu xạ laser ns; chúng ta có thể thấy rằng: các cấu trúc định hướng được hình thành trong một mô hình dày đặc hơn, hãy chú ý: một số biểu hiện sau tác động laser được hình thành trong trường hợp xung laser ns không xuất hiện trong trường hợp xung laser ps.

Tuy nhiên, một đặc điểm trong quá trình LIPSS được hình thành trên trường hợp xung laser ps là trực giao với phân cực chùm tia laser. Đúng như dự đoán, tính tuần hoàn của các cấu trúc giống theo thứ tự của bước sóng laser, phù hợp với các dữ kiện đã biết về hiện tượng hình thành LIPSS.

Các vùng sâu và vùng tối trong ảnh vi rất có thể tương ứng với sự phân bố cường độ không đồng nhất trên chùm tia laze. Do đó, trên vùng được chiếu tia laze, chúng ta phải chú ý là các cấu trúc giống như trường hợp cấu tạo bởi các tiểu cầu hình chữ nhật thực sự bong ra khỏi mẫu.

2.3.2 Molypden / thủy tinh để chiếu xạ laser xung ns và ps

Hình 6 cho thấy sự lắng đọng trên màng mỏng molypden của đế thủy tinh (Hình 6a); mẫu được chiếu tia laser xung ns (Hình 6b) và mẫu được chiếu tia laser xung ps (Hình 6c-d).

Tuy nhiên, khi chiếu xạ laser xảy ra trong trường hợp của titan, bức xạ laser xung ns hoàn toàn không ảnh hưởng đến kết cấu bề mặt molypden (Hình 6b), số lượng phát xung  lên đến 18000 xung với độ lưu huỳnh trên mỗi xung là 0,08 J / cm2 – được thể hiện trong đặc tính của vi Raman và hiệu ứng oxy hóa do tia laser gây ra.

Hình 6. SEM molypden: a) màng mỏng lắng đọng; được chiếu xạ bằng tia laser, b) xung 18000 ns, c) xung 2000 ps, chú ý đường viền rõ nét giữa vùng bị ảnh hưởng và vùng không bị ảnh hưởng bởi tia laser, d) Phóng to LIPSS.

Đối với bức xạ laser xung ps của màng mỏng molypden (như đã đề cập trước đây trong phần AFM). hướng của LIPSS được tạo, vuông góc với phân cực chùm tia laser. Một đặc điểm thú vị cần được lưu ý là xu hướng phân đôi qua các rãnh được hình thành (Hình 6c-d).

Có một vài báo cáo về LIPSS được hình thành dưới sự chiếu xạ của tia laser femto giây trong kim loại, ở đó hiệu ứng phân đôi được trình bày mặc dù nó vẫn chưa được giải thích. Cũng cần lưu ý rằng các miệng núi lửa như trong Hình 3 không được hình thành trong trường hợp này; điều này phù hợp với kết quả thu được về titan lắng đọng trên thủy tinh khi được chiếu xạ bằng xung laser ps.

2.4 Quá trình oxy hóa tạo ra bằng laser xung được hiện rõ qua bởi vi  quang phổ Raman

Phổ Raman vi mô cho màng mỏng titan được chiếu xạ với bước sóng ns được thể hiện trong Hình 7. Phổ Raman được hiển thị trong khoảng từ 200 đến 800 cm-1. Quang phổ 7 (a-c) tương ứng với các vùng được chiếu xạ với 4000, 8000 và 12000 xung ở 0,08 J / cm2.

Phổ Raman vi mô cho màng mỏng titan được chiếu xạ bằng ps được thể hiện trong hình

8, được hiển thị trong khoảng từ 200 đến 800 cm-1. Hình 8 (a-d) tương ứng với các vùng được chiếu xạ với 2000, 4000, 6000 và 8000 xung ở 0,24 J / cm2. Có thể quan sát thấy sự hiện diện của các dải chủ yếu ở 442 và 610 cm-1.

Hình 9 cho thấy một tập hợp các phổ Raman vi mô cho màng mỏng molypden được chiếu xạ bằng xung laze ns,được hiển thị trong khoảng từ 200 đến 1000 cm-1.. Để so sánh, phổ Raman vi mô 9 (a) của bột m-MoO2 đã được đưa vào (Camacho- López M. A. et al.,).

Quang phổ 9 (b-d) tương ứng với các vùng được chiếu xạ với các xung 6000, 12000 và 18000 ở 0,08 J / cm2. Quang phổ 9 (e) tương ứng với một vùng chiếu xạ có 10000 xung ở 0,16 J / cm2. Trong mọi trường hợp, phổ Raman vi mô được tạo thành bởi các cực đại trong khoảng 200-800 cm-1.

Phổ vi Raman cho màng mỏng molypden được chiếu xạ bằng ps được trình bày trong Hình 10. được hiển thị trong phạm vi 200 đến 1000 cm-1.Năm vùng của màng mỏng được chiếu xạ với các xung laser 2000, 4000, 6000, 8000 và 10000 ps. Mỗi quang phổ trong Hình 10 tương ứng với mỗi vùng được chiếu xạ.

3. Thảo luận

3.1 Sự hình thành LIPSS

Hiện tượng LIPSS đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong các kim loại khối đối với các ngưỡng phát của tia laser, nhưng không có báo cáo nào về tác dụng này đối với các màng mỏng kim loại khi được chiếu xạ ở các tia laser dưới ngưỡng cắt bỏ. Đồng thời, không có báo cáo nào về tất cả các LIPSS được hình thành trong quá trình phát triển bằng tia laze của các oxit kim loại. Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi đã chỉ ra các tính năng khác nhau có thể đạt được trên sự hình thành LIPSS tùy thuộc vào thời lượng xung.

Chúng tôi đã chọn hai kim loại là titan và molypden để thể hiện một số biến đổi đặc trưng chính, xảy ra khi các kim loại đó ở dạng màng mỏng- được chiếu tia laser với tần số gấp đôi laser Nd: YAG ở hai chế độ thời gian xung khác nhau. Đối với trường hợp xung laser titan và ns, dễ dàng thu được sự hình thành LIPSS đối với các mẫu lắng đọng trên nền Silicon; ngược lại, không có được sự hình thành LIPSS khi titan được lắng đọng trên chất nền thủy tinh, mặc dù chúng tôi đã nhận được quá trình oxy hóa do tia laser gây ra.

Chúng tôi đã không thử molypden lắng đọng trên Silicon. Vì, Đối với molypden lắng đọng trên thủy tinh, không thể hình thành LIPSS dưới bức xạ laser ns, nhưng vẫn có thể xảy ra quá trình oxy hóa do laser.

Các màng mỏng titan và molypden lắng đọng trên đế thủy tinh được chiếu tia laser với tần số gấp đôi tia laser Nd: YAG ps. Đối với cả hai trường hợp, chúng tôi thu được sự hình thành LIPSS với các đặc điểm rất riêng biệt; trong khi titan tạo thành LIPSS đặc và đặc với tính tuần hoàn theo thứ tự bước sóng, molypden tạo thành LIPSS được bao phủ bởi các cấu trúc hình nón có kích thước vài trăm nanomet. Tính chu kỳ của LIPSS trong trường hợp molypden cũng gấp đôi bước sóng laser.

3.2 Quá trình oxy hóa do laser xung

3.2.1 Oxit titan được tạo ra bằng cách chiếu tia laser xung

Từ các tài liệu, người ta đã biết rõ rằng: phổ Raman cho pha rutilrutil titan, trong khoảng 200 đến 800 cm-1, chúng được tạo thành bởi ba dải phổ nằm ở 236, 444, 609 cm-1 (Porto và cộng sự, 1967; Beattie IR, Gilson TR 1967; Escobar-Alarcón và cộng sự, 1999).

Giữa các vị trí đỉnh Raman thu được đối với vùng bị chiếu xạ có xung ns và ps (Hình 7 và 8) và các vị trí được báo cáo trong tài liệu về pha rutil. Điều này chỉ ra rằng: vật liệu được chiếu xạ đã phải chịu một quá trình oxy hóa chuyển từ Ti thành TiO2 trong quá trình pha rutil. Sự biến đổi này thu được bằng cách: chiếu xạ các mục tiêu titan bằng cách sử dụng vạch cơ bản (1064 nm) của laser Nd: YAG  (theo: Pérez del Pino và cộng sự, 2002).

Ngoài pha rutil, họ còn tìm thấy các cách pha khác như: Ti2O3 và TiO trong các vùng được chiếu xạ. Phân tích quang phổ qua các xung ns, chúng tôi có thể quan sát thấy: hai dải ở 445 và 335 cm-1 có thể được gán cho Ti2O3. Do đó, kết quả Raman chỉ ra rằng một hỗn hợp của TiO2 và Ti2O3 có mặt trong các vùng chiếu xạ. Điều đáng chú ý là trong trường hợp xung ps, phổ Raman không thể hiện các dải tương ứng với pha Ti2O3. Trong trường hợp này chỉ thu được pha rutil của TiO2 trong vùng được chiếu xạ.

3.2.2 Oxit molypden được tạo ra bởi chiếu xạ laser xung

Từ các tài liệu nghiên cứu về các tính năng Raman cho thấy: m-MoO2 có thể chuyển đổi thành MoO3 bằng quang phổ Raman vi mô. (Bảng 6) trình bày các tần số Raman thu được đối với màng mỏng molypden được chiếu xạ bằng xung ns và ps.

So sánh các tần số thu được trong phổ 9 (bd) và 10 (ce) với các tần số được báo cáo trong tài liệu về pha m-MoO2, chúng ta có thể chỉ ra rằng: vị trí của phần lớn các đỉnh Raman (ví dụ như phổ 9e) đặc trưng cho pha m-MoO2.

Tuy nhiên, các đỉnh của quang phổ 9 (b-d) và 10 (c-e) rộng hơn so với các điểm cực đại của quang phổ 9 (a). Kết quả này cho thấy độ kết tinh của vật liệu trong vùng được chiếu xạ không được tối ưu hóa cho độ lưu huỳnh của laser 0,08 J / cm2. Khi tăng độ lưu huỳnh của tia laze (0,16 J / cm2), vị trí đỉnh dịch chuyển về phía tần số cao hơn và FWHM giảm khi nó được quan sát trong quang phổ 9 (e).

Như một giá trị tham khảo, FWHM của đỉnh có tâm là 744 cm-1, đối với bột MoO2 tinh thể (Bảng 6) và thanh nano 1D (Latha, K. và cộng sự 2007) là 20 cm-1. Đối với độ lưu loát của tia laze là 0,08 J / cm2 thì FWHM là 150 cm-1, trong  khi đối với 0,16 J / cm2 thì FWHM là 50 cm-1.

Điều này cho thấy rằng độ kết tinh có thể được cải thiện với sự gia tăng độ lưu loát của tia laser. Sự thay đổi vị trí của các đỉnh Raman có thể liên quan đến oxit molypden đo phân cực gây ra trong vùng chiếu xạ của màng mỏng. Cần lưu ý rằng 6000 xung là đủ trong hai trường hợp (ns và ps) để tạo ra oxit molypden. Về mặt quang học, màng mỏng molypden không có bất kỳ thay đổi nào trong quá trình chiếu laser.

4. Kết Luận

Chúng tôi đã chứng minh rằng: có thể tạo ra các cấu trúc bề mặt tuần hoàn do tia laser tạo ra

(LIPSS) trên màng mỏng kim loại (titan và molypden), bằng cách chiếu xạ màng mỏng với nano giây hoặc pico giây, tần số tăng gấp đôi, laser xung Nd: YAG. Chúng tôi nhận thấy rằng ở chế độ nano giây, sự hình thành LIPSS dường như bị ảnh hưởng bởi loại chất nền (silicon hoặc thủy tinh);

Một thực tế rất thú vị là trong trường hợp chiếu xạ xung laser nano giây trên titan / silicon, định hướng LIPSS hình thành song song với phân cực chùm tia laser; trong khi trong trường hợp chiếu xạ với xung laser pico giây trên titan / thủy tinh, định hướng LIPSS chuyển sang vuông góc với phân cực chùm tia laser.

Chúng tôi cũng đã chứng minh rằng có thể thu được TiO2 ở pha vô ích và MoO2 ở pha đơn tà của nó, bằng cách sử dụng laser xung Nd: YAG có tốc độ lặp lại thấp ở chế độ xung ngắn (nano giây) và chế độ xung siêu ngắn (pico giây). Các oxit kim loại TiO2 và MoO2 được tạo ra bởi tia laze tổng hợp trong các pha tinh thể rất cụ thể phụ thuộc vào các thông số chiếu xạ của tia laze.

5. Lời cảm ơn

Các tác giả thừa nhận sự hỗ trợ một phần cho công việc này từ AFOSR-CONACyT Grant FA9550-10-1-0212. Chúng tôi biết ơn Tiến sĩ Ivan Garcia vì sự hỗ trợ của ông đối với công việc mô tả đặc điểm.