Синтез нанокомпозитных материалов на основе субоксида кремния и наноструктур благородных металлов

1.

Синтез нанокомпозитных материалов на основе
субоксида кремния и наноструктур благородных
металлов методом импульсной лазерной
абляции
Родионов Алексей, 2 курс магистратуры кафедры ФНП ФФ НГУ
Научный руководитель: к.ф.-м.н. Старинский Сергей Викторович
Работа выполнена в лаборатории физических процессов энергетики 10.1 ИТ СО РАН
Новосибирск, 2021

2.

Актуальность
Нанокомпозитные материалы применяют для создания:
• Оптические фильтры
• Накопители
• Биосенсоры
Преимущества импульсной лазерной абляции:
• Гибкий контроль над процессами роста наноструктур
• Инвариантность в выборе материалов мишеней и подложек
• Контроль пиков поглощения нанокомпозитных материалов
• Влияние наночастиц металла на состав осаждаемых на их поверхность
пленок
Цель: изучение влияние наноструктур благородных металлов на эффективность окисления
нанокомпозитного материала и на его оптические свойства
2

3.

Экспериментальный стенд
Nd:YAG лазер
(λ = 532 нм, τ = 8 нс)
P = 2 – 30 Па
T = 25-600 ℃
Фоновые газы: Ar, Air, O2
Материал мишени: Au, Ag, Si
Lм-п = 20 мм – расстояние мишень-подложка
Материал подложки: Si, Кварц
Конструкция установки позволяла производить контролируемый напуск газа
Минимальное фоновое давление воздуха в камере составляло 2 Па
3

4.

Синтез наночастиц благородных металлов
Ag
N = 5000
T = 250 °C
Au
N = 1500
T = 500 °C
1 мм
4 мм
8 мм
Получен режим для синтеза наночастиц Au и Ag равного размера
4

5.

2,0
2,0
1,9
1,9
1,8
1,8
1,7
1,7
c
c
Результаты определения степени окисления пленок
1,6
Ar+O2 (0,5 Pa O2 Partial)
Au + SiOx
Ag + SiOx
O2
1,5
1,4
0
5
10
15
20
P, Па
25
30
1,6
1,5
SiOx
Au + SiOx
Ag + SiOx
1,4
0
100
200
300 400
T, °C
500
600
• С ростом давления фонового газа, при постоянном парциальном давлении кислорода, происходит
повышение степени окисления синтезируемых пленок
• Наличие на поверхности подложки наночастиц Au и Ag слабо влияет на степень окисления пленок
• Преимущественное окисление продуктов абляции происходит на этапе разлета лазерного факела, а
не на поверхности подложки
[1] S. Trusso // Laser and Particle Beams, 23, 149-153, 2005
[2] E. Fazio // J. Vac. Sci. Technol., 23, 2005
[3] P. Werner // Int. J. Mat. Res., 98, 2007
[4] A. O. Zamchiy // Technical Physics Letters, 46, 827–830, 2020
5

6.

Результаты оптического анализа
Au
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
Плазмонный
пик
0,7
0,6
0,5
Transmittance
Transmittance
Ag
0,7
0,6
0,5
0,4
446
Положение пика 470
478
0,3
Ag
Ag+SiO1,4 3 Па
Ag+SiO2 20 Па
0,2
0,4
534
Положение пика 560
0,3
Au
Au+SiO1,4 3 Па
Au+SiO2 20 Па
575
0,2
200
400
600
800
l, nm
1000
1200
200
400
600
800
1000
1200
l, nm
• Повышение степени окисления приводит к смещению пика вправо
• Результаты обсуждаются
6

7.

Лазерное сверление кремния
0,20
0,35
Seff ~ 0,06 mm2
Seff ~ 0,03 mm2
0,18
Patm
PAr = 20 Pa
PAr = 100 Pa
PAr = 1000 Pa
0,30
0,16
0,25
h/N, mm/N
h/N, mm/N
0,14
0,12
0,10
0,20
0,15
0,08
0,06
0,10
0,04
0,05
0,02
0
5
10
15
20
25
30
0
F, J/cm2
5
10
15
20
25
30
F, J/cm2
Наблюдается немонотонная зависимость отношения толщины мишени к числу
импульсов необходимых для её пробития от плотности энергии лазерного излучения.
В разреженном газе эффективность сверления повышается
7

8.

Выводы
• Наночастицы благородных металлов слабо влияют на степень окисления
пленки, осажденной на их поверхность методом ИЛА
• Предполагается контролировать положение плазмонного пика путем
нанесения пленок субоксида кремния на поверхность наночастиц
благородных металлов
• Преимущественное окисление продуктов абляции происходит на этапе
разлета лазерного факела, а не на поверхности подложки
• С понижением фонового давления эффективность лазерного сверления
повышается
Спасибо за внимание
8