Аэрозоли лазерной плазмы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

У £ ■

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени Л.Я.КАРПОВА

На правах рукописи

ПАХОМОВ Александр Викентьевич

УДК 535.523 \

АЭРОЗОЛИ ЛАЗЕИЮЛ ПЛАЗМЫ 02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Зна!^ Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я.Карпова

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Лушников А.А.

Официальные оппоненты - доктор физико-математическю наук, профессор Смирнов Б.м,

- доктор химических наук, профессор Потапов В.К.

Ведущая организация - Институт атомной энергии 4 имени И.В.Курчатова

Защита диссертации состоится " Ои _15

б // часов на заседании специализированного согета Д-138.02.01 по физической химии при Научно-исследоЕателы физико-химическом институте им.Я.Я.Карпова 107120 Москва, ул.Обуха, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института,

Автореферат разослан " ¡¡I " _19!

Ученый секретарь специализированного соЕвта

М^5^^ / Аветисо:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Несмотря на изобилие в .природе и технике мелких структурированных частиц, например, згрегатоЕ из нанометровых частиц-мономеров, изучение эптических свойств и механизмов образования этих частиц 5ыли крайне затруднены из-за их сложной структуры. Лишь сравнительно недавно был предложен весьма перспективный способ математического описания структуры некоторых видов агрегатов при помощи так называемой хаусдорфовой или орактальной размерности.На основании простой математической обработки распределения частиц-мономеров в объеме можно сделать заключение о возможности приписать агрегату фрактальную размерность и найти её величину.Агрегаты частиц, эбладагощие фрактальной размерностью, обычно называют фрактальными кластерами ( ФК ).Многочисленные работы по машинному лоделированию роста агрегатов позволяют связать размерность Ж с определенным механизмом роста.В связи с этим, весьма штересно изучение структуры агрегатов, полученных в реальных физических или химических процессах.

Известно несколько способов получения мелких частиц, обладающих сложной структурой.В связи с развитием лазерной техники, одним из наиболее перспективных является формирование конденсационных частиц при испарении материалов шпульсным лазерным излучением в инертной среде.

Целью работы является изучение структуры, механизма образования и некоторых электромагнитных свойств частиц оразующихся при воздействии импульсного лазерного излучения на металлы в инертной среде.

Научная новизна. Исследованы структура и размеры частиц, образующихся при испарении металлов импульсным лазерным излучением.Показано, что в случав умеренных интен-

Р) о

сивностей лазерного излучения ( ~ 10 вт/см происходит образование микронных фрактальных агрегатов, состоящих из сферических частиц-мономеров размером в десятки нанометров.Фрактальная размерность, вычисленная тремя спосабами ( ~ 1.81), позволяет сделать вывод о коагуляционном механизме роста.Это подтверждается оценками времени роста агрегатов.В случав оптического пробоя вблизи мишени,происходит переиспарение частиц плазмой пробоя и образование агрегатов из еще более мелких частиц (~10 X ).Помимо испарения в глубокий вакуум, обнаружены и исследованы другие режимы получения отдельных сферических частиц лазерным способом. Показано, что ФК, состоящие из серебряных частиц, проявляют необычные оптические свойства - аномальное поглощение и рассеяние в широком диапазоне длин волн. Впервые сделана попытка применить идеи андерсоновской локализации для описания оптических свойств фрактальных ' агрегатов.Исследования показали, что это является вероятным механизмом, который позволяет объяснить слабую частотную зависимость ослабления света ФК, обнаруженную эксперименталь-. но.При воздействии импульсного лазерного излучения на ФК обнаружен рдц аффектов, в том числе - генерация второй гармоники.

Практическое значение работы. Полученные результаты

могут быть использованы для создания модельных систем ('рактальных агрегатов, обладающих высоким ослаблением в широком диапазоне длин волн, для получения катализаторов и высокотемпературных фильтрующих материалов.

Па защиту выносятся:

иРезультаты исследования образования частиц при лазерном испарении металлов в инертных средах.

2.Результаты изучения структуры агрегатов и механизма их образования.

3.Результаты теоретического и экспериментального исследования оптических сеойств металлических ФК.

4.Результаты исследования воздействия импульсного лазерного излучения на ФК и изучения электропроводности ФК.

Апробация работы.Результаты работы докладывались на XIУ Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" г.Одесса, 1986,1989 гг., на 17 Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде г.Барнаул, 1988 г., на Европейской аэрозольной конференции г.Вена, 1989 г., по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и выводов.Диссертация изложена на 76 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы и 38 рисунков, библиографию из 59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I.ОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТИЦ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ИСПАРЕНИИ МЕТАЛЛОВ И СВОЛСТВА ФРАКТАЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ЧАСТИЦ. В первой главе, носящей обзорный характер, изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований образования частиц •

при лазерном воздействии на материалы.Показано, что образование мелких металлических частиц при лазерном испарении металлов в инертных средах не исследовалось. Наиболее вероятным продуктом лазерного испарения металлов являются агрегаты конденсационных частиц, которые можно исследовать путем установления их фрактальной размерности. Поэтому представлены основные соотношения, необходимые для анализа фрактальной размерности, и важнейшие свойства ФК.В конце главы отдельно представлены экспериментальные и теоретические результаты исследования оптических сеойств ФК.На основании анализа теоретического и экспериментального материала сформулированы цели исследования -изучение структуры, механизма образования и некоторых электромагнитных свойств частиц, образующихся при воздействии импульсного лазерного излучения на металлы в инертной среде.

2.ЭКСПЕИМЕНТАЛЬН0Е ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

АЭРОЗОЛЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ИСПАРЕНИИ МЕТАЛЛОВ. Во второй

главе изложены результаты исследования распространения

плазменной струи выброса продуктов испарения металлов

и изучения размеров образующихся частиц, а также

оценки характерных времен конденсации и коагуляции частиц.

Фоторегистраодя плазменного факела показала, что при

интенсивностях лазерного излучения менее Ю7 ет/см2

начальная скорость распространения фронта свечения

обычно составляет 1.8x10® * 3.2x10^ см/сек и быстро спадает.

Зависимость положения светящегося фронта от времени

хорошо описывается эмпирическим соотношением:

I = и, ье , где и0 - начальная скорость,

- длительность импульса, Е> - экспериментальная

константа.Причеу В> существенно зависит от условий 4

испарения.При этих интенсивностях основным продуктом лазерной

эрозионной плазмы является аэрозоль из микронных агрегатов

сферических частиц размерами е десятки нанометров и

полидисперсные частицы застывшего расплава размерами от

и Л мкм до долел миллиметра .Для более эффективного

образования конденсационных частиц и исключения частиц

расплава специальным образом подбиралось распределение

энергии в фокальном сечении линзы и её величина.Возрастание

интенсивности лазерного излучения приводит к образованию

оптического пробоя вблизи мишени.В этом случае в одном

импульсе происходит испарение металла, конденсация паров

е сферические частицы, переиспарение этих частиц плазмой

пробоя с окончательным образованием микронных агрегатов

о

из ене более мелких частиц ( ~ 10 А ).При пониженных давлениях инертного газа в пороговых условиях для пробоя обнаружен эфТект образования отдельных сферических частиц ( л. 20 им), которые получаются путем оплавления мелких агрегатов плазмой пробоя.Оценки конденсационных времен дают кикросекундные длительности роста частиц.Расчет времени коагуляции сделан на основе соотношения:

'Ъ о о

где уг^ - счетная концентрация агрегатов, Я. концентрация мономеров, \ - параметр однородности,

t„ - время образования димеров.Полученные малые времена роста агрегатов ( ~ 3x10 сек) объясняют экспериментальные затруднения получения отдельных сферических частиц е результате лазерного испарения материалов.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ РАЗМЕШОСТИ И ОПТИЧЕСКИХ CBOiiCTB АГРЕГАТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ,

ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ИСПАРЕ1ШИ МЕТАЛЛОВ. Для измерения фрактальной размерности ( С* ) использовались фотоснимки агрегатов, сделанные на электронном микроскопе.На их основе формировалось цифровое изображение агрегатов в ЭВМ. Вычисление' Ъ проводилось на основании зависимостей:

где 0(У) - парная корреляционная функция, ^ - размер агрегата, V - число мономеров.Паралельно сделано измерение Т) на основании степенной зависимости интенсивности рассеяного света.В случае металлических частиц и волнового числа в интервале Я К (где К

размер мономера), для интенсивности рассеяного излучения выполняется соотношение:

т

-Ь ц к ^ (СО'-^У

где и>1 - частота плазмон-поляритона изолированной металлической частицы .На основании этих измерений установлено, что данные агрегаты являются ФК с- Т) = 1.81 . В результате спектральных измерений серебряных ФК обнаружены их необычные свойства: расщепление и уширение пика плазмон-поляритонных колебаний и аномально высокое, по сравнению с отдельными частицами, поглощение в ИК и УФ диапазонах.Сечение экстинкции ( ) таких частиц, начиная с 0.6 мкм и до 25 мкм, остается постоянным, хотя для изолированных частиц уменьшение величины в этом

диапазоне состовляет восемь порядков.Для ФК из частиц, покрытых окисной пленкой, также превышает аналогичные

сечения изолированных частиц, но зависимость ( \ )

имеет более сложный вид.До 10 мкм 1/у , д при

6

ыпих длинах волн в спектрах наблюдаются особенности, зущие окислам металлов.

4.ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФРАКТАЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ МЕТА1ЛИЧЕС-ЧАСТИЦ.В четвертом разделе, носящем теоретический актер, исследуются оптические свойства ФК.Основная специ-э фрактальной структуры состоит в том, что общая гность ее мала, но в пределах корреляционной длины

( О

небольших расстояниях от центра ФК это плотноупакоганная гема.И попавший туда фотон предпочитает всякий раз орачивать, образуя петли на своей траектории.Однако осложняется тем, что длина упругого рассеяния ( ), на волны ( ^ ) и I* оказываются одного порядка, 'лояность фотону набрать длину ¿г может быть олнена либо бесконечным набором малых петель, растущих а на другой, либо многократным повторением одной и же петли.Интерференция КЕантовомеханических амплитуд, тветструющих двум направлениям обхода петель, приводит номальному увеличению рассеяния света в заднюю полусферу. , в свою очередь, стимулирует производство петель на онннх траекториях.В результате фотон увязает в архии малых петель и оказывается не в состоянии внрвать-из ФК.Возникает своеобразная локализация фотона, лог так называемой андарсоновской локализации.Описанный соб распространения фотона в ФК исследован при помощи грамной техники теории возмущений.Суммированние ряда рии Еозыущений для ¿-матрицы, отражающей процессы пространения фотона в ФК, сводится к решению интегрального внения.Локальность ^ -матрицы:

где & -единичная ступенчатая функция ХвЕисайда,

а- - радиус вектор центральной точки частицы; и возможность пренебречь эффектами запаздывания электромагнитного взаимодействия в фотонных пропагаторах позволяет свести интегральное уравнение для £ к алгебраическому для А:

(€+г)А = 3(6-0

4 (Я г

$- 2) \ ' где "гаша (фикция

Эйлера. При сравнений теоретической и экспериментальной зависимости ( Л ) наблюдается неплохое совпадение.

5.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ СВОлСТВ ЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ИСПАРЕНИИ СЕРЕБРА.Этот раздел посвящен исключительно экспериментальным изг:е1ю>шям. Для проверки возможности контроля состояния поверхности частиц, входящих в ФК, электрическим способом на специальную подложку напылялся слой из ФК, через который пропускало электрический ток.Эти измерения показали, что при напряженности поля выше 80 е/см вольт-амперная характеристик слоя становится существенно нелинейной из-за включения в проводимость новых участков ФК, а величина электропроводност определяется исключительно состоянием контактов между частицами.При изучении возможности наблюдения эффекта генерации второй гармоники на серебряных ФК по мере увеличения энергии воздействующего лазерного импульса были обнаруке

\

следующие особенности I) зеленоватое свечение, 2) разрушени ФК на фрагменты, 3) разрушение с быстрым оплавлением фрагментов ФК в сферические частицы средним размером 0.2 мкм В ходе измерения рассеяного излучения обнаружено, что

оначально идет разрушение фрагментов <Ж, направление рых совпадает с направлением Е воздействующего ризонапного лазерного излучения; это объясняется их пенным поглощением.Спектральное измерение показало вдовательное уменьшение оптических аномалий по мере учения ФК.При временных и спектральных измерениях зния получено, что импульс свечения по длительности встствует воздействующему лазерному импульсу вплоть до

о

).45x10 дж - порогу оплавления фрагментов агрегатоЕ, этом спектральный диапазон свечения расположен вблизи 1м - длины еолны второй гармоники. При Е > Еп тральный диапазон расниряется, и наблюдается белое шло е области 0.2 0.6 мкм. Усредняя значения юиЕНостей севчония из многих измерений, удалось

_ О

ювить, что при Е < Еп интенсивность сЕечения ( 1 ) ~ Е , I Е > Еп / ~ Е .Наличие кубической

¡имости свидетельствует о трехквантовом процессе два кванта возбуждают соответствующее электронное >яние, а третий стимулирует испускание фотона.

ПЛЮДЫ

I.Исследовано образование мелких частиц при воздействии ьсного излучения ОКГ на металлы в инертной среде, ощностях лазерного излучения 10® * Ю^ет/см2 происходит ОЕание агрегированных частиц из мономеров размерами нм до СС нм. В случае оптического пробоя вблизи и происходит псреиспарение первоначально сконденоировп':-астиц плазмой пробоя и образование микронных

о

атов, состоящих из более мелких частиц ( - 10 А).

2.Помимо испарения в глубокий вакуум установлено •

еще два режима получения лазерным способом отдельных сферических частиц: при оплавлении небольших агрегатов пороговой плазмой пробоя ( при пониженных давлениях инертной среды с образованием частиц размером ~ 20 нм) и при оплавлении агрегатов импульсным лазерным излучением с образованием 0.2 мкм. частиц.

3.Расчет парной корреляционной функции, изучение распределения мономеров гнутри агрегата и измерение рассеяни оптического излучения показали, что структура конденсационных частиц, образованных воздействием импульсного излучения ОКГ на металлы, соответствует ФК с размерностью 1.81 .Это совпадает с коагулящонным механизмом роста агрегатов, что подтверждается оценками времен процесса.

4.Фрактальные агрегаты из проводящих металлических частиц проявляют необычные электромагнитные свойства -уширение, расщепление и смещение относительно друг друга плазмонных пикое.упругого рассеяния и поглощения, а также аномально высокое поглощение и рассеяние в ПК и УФ диапазонах.

5.Теоретические исследования показали, что локализация фотонов в фрактальной структуре является возможным механизме который позволяет объяснить слабую частотную зависимость ослабления света фрактальными агрегатами из металлических частиц.

С.На фрактальных структурах из мелких металлических частиц возможно неупругое рассеяние лазерного излучения Еблизи частоты Еторой гармоники.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Лушников А.А.,Пахомов А.В.,Негин А.Е..Черняева Г.А. юзоли лазерной плазмы.Тезисы докладов 14 Всесоюзной кон-«нции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", юса,1986,т.2,с.26 .

Лушников А.А.,Пахомов A.B..Черняева Г.А. Фрактальная мерность агрегатов, образующихся при лазерном испарении •аллов.ДАН СССР, 1987,Ж,с.86 - 88 .

Лушников А.А.,Пахомов A.B..Максименко В.В..Андронова А.В._ 'ические свойства фрактальных агрегатов серебряных тиц.Тезисы докладов 4 Всесоюзного совещания по распространю лазерного излучения в дисперсной среде.Барнаул,1988, ,с .25 + 27 .

Лушников А.А.,Пахомов A.B. Аэрозоли лазерной плазмы, •рник пед.института им.Н.К.Крупской "Механика и физическая :етика дисперсных систем".Москва,1988,с.88 - 99 . Лушников А.А.,Пахомов А.В.,Максименко В.В. Эффекты ' и разрушения фрактальных агрегатов серебряных частиц . лазерном воздействии.Тезисы докладов 15 Всесоюзной :ференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", сса,1989,т.1 ,c.I5I .

Лушников А.А.,Максименко В.В..Крикунов В.А.,Пахомов A.B. ктон-поляритоны в агрегированных частицах.Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики «дисперсных систем".Одесса,1989,т.I,с.131 . Лушников А.А.,Пахомов A.B. Аэрозоли лазерной плазмы, лоидный журнал, 1990,т.52,№1,с.62 + 66 . Lushnikov A.A.,Maksimenko V.V. ,Pakh.omov A.V. Fractal ;regates from laser plasma. J.Aerosol Sei. ,"1ЯК),20,п.7 .