REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Laserska ablacija (LA) je vsestranska metoda, ki jo je mogoče uporabiti za elementno analizo raznovrstnih materialov, poleg tega pa tudi za sintezo, npr. pulzno lasersko depozicijo (PLD) širokega nabora materialov. Analiza in sinteza sta lahko uspešni samo, če je izbiti material mogoče stehiometrično prenesti do detektorja ali substrata. Čeprav sta metodi LA in PLD z vidika zasnove preprosti, sta tovrstna postopka ablacije in depozicije izjemno zapletena ter še vedno ne povsem pojasnjena.
Glavni cilj doktorske disertacije je temeljna raziskava procesov ablacije in depozicije, npr. razumevanje izbrizga ciljnega materiala v plazemskem oblaku in končna depozicija ablativnih zvrsti na substratu z dvema različnima sistema pulzne laserske depozicije: (1) komercialni laser (polprevodniški laser Nd:YAG, valovne dolžine 213 nm) in (2) molekularni laser F2, valovne dolžine 157 nm. Za preiskavo s pulzno lasersko depozicijo je bila kot ciljni material uporabljena zlitina Fe-Sm-Ta (Sm13.8Fe82.2Ta4.0). Ta material je bil pridobljen z indukcijskim taljenjem Fe (13.8 at. %), Sm (82.2 at. %) in Ta (4.0 at. %).
V tem delu, za pulzno lasersko depozicijo pri atmosferskem tlaku in »ex situ« in »in situ« ICP-MS analizo za diagnosticiranje procesa priprave nanodelcev, je bil prvič uporabljen Nd:YAG laser z valovno dolžino 213 nm in elementno masno spektrometrijo z induktivno sklopljeno plazmo. Vzporedno s tem delom je bil za pripravo nanodelcev iz istega ciljnega materiala uporabljen PLD instrument z valovno dolžino 157 nm in mikrokontrolirano X-Y-Z-Θ premikajočo platformo v komori iz nerjavnega železa 316. Produkte, dobljene pri valovni dolžini 213 nm, smo s sklopom naslednjih metod primerjali s tistimi, dobljenimi pri valovni dolžini 157 nm (z uporabo vrstičnega elektronskega mikroskopa z energijsko disperzijskim spektrometrom rentgenskih žarkov [SEM-EDXS], superprevodne kvantne interferenčne naprave [SQUID], rentgenske praškovne difrakcije [XRD], presevne elektronske mikroskopije [TEM] in mikroskopije na atomsko silo [AFM]).
Dobljeni rezultati kažejo, da je diagnostika s pulzno lasersko depozicijo dejansko učinkovita za pridobivanje delcev Sm13.8Fe82.2Ta4.0 z aparaturo za lasersko ablacijo in masno spektrometrijo z induktivno sklopljeno plazmo. V helijevi atmosferi, v ustreznih razmerah pulzne laserske depozicije, ima več kot 95 odstotkov [utežni odstotek] nastalih delcev premer, manjši od 0.75 µm (neodvisno preverjeno z obdelavo delcev v večstopenjskem kaskadnem impaktorju, pri čemer delci zapuščajo komoro za lasersko ablacijo), in (povprečno) stehiometrijo, ki je podobna stehiometriji ciljnega materiala. Poleg tega, elementarno vzporejanje naloženih delcev kaže, da je optimalno geometrijo ciljnega materiala in substrata (položaj ciljnega materiala in substrata pod kotom 45° glede na naključno smer snopa in paralelno drug na drugega) mogoče doseči v zelo kratkem času (< 1 dan) ter zagotoviti ustrezno gostoto slojev in stehiometrično razmerje na substratu Ta/Si. Natančna analiza z vrstičnim elektronskim mikroskopom z energijsko disperzijskim spektrometrom rentgenskih žarkov je pokazala vzorec depozicije, ki ob temeljitem pregledu (približanju) pokaže naključno nakopičene posamezne sferične delce. Poleg izjemno finega »prahu« je mogoče opaziti tudi sferične delce različnih velikosti (10–50 nm). Analiza z energijsko disperzivno rentgensko spektrometrijo je pokazala nizko oksidacijo delcev Fe-Sm-Ta in tudi to, da povprečna sestava delcev (N = 10) nakazuje sestavo ciljnega materiala (Fe, 82.6 at. %; Sm, 12.6 at. %; Ta, 4.8 at. %). Razmerje Fe/Sm, izmerjeno pri velikih delcih, je bilo v splošnem nekoliko višje kot v ciljnem materialu. To se ujema z rezultati, pridobljenimi s kaskadnim impaktorjem za delce, velikosti med 0.4 in 2.8 µm ali več, kar je mogoče pojasniti z brizgom taline zaradi plazemsko sproženega brizganja, ki vodi v nastanek staljene usedline, bogate z železom ki ima nižjo hlapnost. Meritve magnetnih lastnosti kažejo, da ima naloženi material po kaljenju in toplotni obdelavi v dušiku feromagnetne lastnosti.
Za pojasnitev mehanizma nastanka magnetnih nanodelcev iz ciljne zlitine Sm13.8Fe82.2Ta4.0, so bili uporabljeni preizkusi pri valovni dolžini 157 nm. Parametri depozicije, kot sta fluenca laserja ter razdalja med ciljnim materialom in substratom, so bili optimizirani, da bi imeli delci želeno kristalno strukturo, sestavo in feromagnetne lastnosti. Vzorci so bili temeljito opisani na podlagi morfoloških, strukturnih in magnetnih meritev. Zanesljivejše informacije glede strukturnih lastnosti delcev so bile pridobljene s presevnim elektronskim mikroskopom visoke ločljivosti. Slike, dobljene s presevnim elektronskim mikroskopom, kažejo dvofazne sferične nanokapljice (50–100 nm), sestavljene iz kristalnega jedra z velikostjo 5–10 nm, obdano z zunanjo amorfno fazo. Te nanokapljice kažejo feromagnetni odziv 2.5 kOe, ki ga je mogoče s kaljenjem in toplotno obdelavo v dušiku dodatno povečati na 5.0 kOe. Okoliška amorfna ovojnica preprečuje oksidacijo kristalnega magnetnega jedra nanokapljice po ablaciji zaradi zamejitve oksidacije na površini.
Pokazali smo da je mogoče LA-ICPMS, ki je predvidena za mikroanalizo, uspešno uporabiti za pulzno lasersko depozicijo pri atmosferskem tlaku in »ex situ« in »in situ« ICP-MS analizo za diagnosticiranje procesa priprave nanodelcev. Na ta način je mogoče temeljito raziskati porazdelitev velikosti in elementarne sestave delcev v ablacijskem oblaku poleg elementarne gostote, homogenosti in stehiometrije dobljenega materiala.
Po drugi strani lahko pulzna laserska depozicija valovne dolžine 157 nm pozitivno prispeva k izboljšanju lastnosti magnetnih nanokapljic Sm-Fe-Ta-N sestavljene iz kristalnega jedra obdano z zunanjo amorfno fazo. Rezultati, predstavljeni v tem delu, omogočajo dobro osnovo za nadaljnje raziskave, kot je optimizacija procesa pulzne laserske depozicije (v atmosferskih razmerah) za vse vrste novih materialov.