Formation and growth of nanostructures on the surface of solids melted by laser pulses

Abstract

The possibility of forming nanostructures on the surface of solids by the action of nanosecond laser pulses causing the material to melt has been shown both theoretically and experimentally. The depen dence that the characteristic sizes of the surface nanostructures have on the energy of the laser beam and duration is established. Experimental results on samples of various materials obtained by direct laser nano structuring using an ArF laser and images of titanium samples with surface nanostructures are presented.

Titanium surface processing by nanosecond laser radiation

“…Координата х отсчитывается от поверхности. Подробное решение уравнений (1), (2) с граничными условиями (3)-(5), а также задачи об охлаждении рас-плавленного слоя за счет теплоотвода вглубь твердой фазы представлено в [11,14]. Используя вариационный принцип для основных законов теплопроводности и ки-нетическое уравнение из теории зародышеобразования, было получено выражение для характерного размера за-родыша кристаллической фазы в переохлажденной жид-кости [10]:…”

“…Расчет с помощью приведенной выше теоретической модели для титана [11] дает величину характерного раз-мера (радиуса) зародыша около 25 нм при плотности энергии 2 Дж/см 2 и времени воздействия 10 -6 с. Это соот-ветствует поверхностной наноструктуре округлой фор-мы с диаметром около 50 нм, что согласуется с данными, полученными в ходе эксперимента.…”

“…Один из наиболее перспективных методов созда-ния таких поверхностей -метод прямого лазерного на-ноструктурирования [7][8][9][10][11][12], в котором для получения поверхностных нанорельфов используется лишь один лазерный пучок без каких-либо масок и без вспомога-тельной иглы атомно-силового микроскопа. Такой ме-тод является достаточно простым и гибким, поскольку, с одной стороны, при использовании одного лазерного пучка малых размеров позволяет достичь высокой ло-кальности воздействия, соответствующей размерам от-дельного лазерного пятна (около 100х100 мкм) и шагу его сканирования по поверхности (порядка 1 мкм).…”

Kinetics of Nanostructuring Processes of Material Surface under Influence of Laser Radiation

“…Irradiation of the material can be carried out both with a stationary laser beam and with its movement along the surface at a given speed. To simulate the processes of nanostructuring of matter under the action of short laser pulses on the surface of a solid, it is necessary to understand the arising physical processes [1][2][3][4][5][6][7][8]. Since these processes take place in extremely small volumes and time intervals, high heating and cooling rates appear, as well as large spatial temperature gradients.…”

“…Since these processes take place in extremely small volumes and time intervals, high heating and cooling rates appear, as well as large spatial temperature gradients. This leads to various phase transitions (melting, evaporation), thermionic emission, gas desorption, thermomechanical effects (thermal expansion, thermal stress), and structural changes [1,[5][6][7][8]. Understanding which of these processes is predominant, it is possible to develop a model for estimating the characteristic parameters of the resulting nanostructures.…”