Лазерная абляция, теллуритовое стекло и допант Er2O306.08.2018 12:47

В любой системе, какой бы сложной она не была, из скольких рабочих элементов бы не состояла, практически всегда можно выделить одну фундаментально важную деталь. Так и в современных коммуникационных системах основой основ часто выступают оптические волокна, позволяющие передавать данные на большие расстояния и с большой скоростью. И все бы ничего, если бы не слоган некоторых ученых — «мир в наперстке». Нет ничего плохого в желании минимизировать размер того или иного устройства, однако мини вариант не должен уступать оригиналу в производительности, а может и превосходить его.

Для передачи сигналов внутри устройства необходимо предельное количество оптоволокна. Нельзя просто обрезать его и все будет работать так же хорошо. Именно по сей причине ученые начали изучать альтернативные методы и материалы для передачи сигналов, которые позволили бы уменьшить различные устройства в размере. Плоские волноводные усилители на базе необычного стекла стали одним из открытий в подобных исследованиях. Однако любая технология должна пройти долгий этап совершенствования. Сегодня мы познакомимся с исследованиями абляции фемтосекундным лазером поверхности теллуритового стекла с примесью из Er2O3. Какими особенностями обладают «участники» опытов и каких результатов добились ученые? Ответы будем искать в докладе исследователей. Поехали.

Суть исследования

Исследователи из университета Лидса (Великобритания) провели лазерные исследования необычного типа стекла, которое может стать отличным материалом для широкополосных плоских волноводных усилителей. Материал был получен путем легирования* эрбием* вещества из цинка, натрия и теллура.

Легирование* — добавление небольшого объема примесей (в данном случае это эрбий) для изменения химических и/или физических свойств материала. Добавление примесей в полупроводник помогает изменить его электрические свойства.

Эрбий* — редкоземельный элемент, в сетевых технологиях применяется как примесь при создании оптических волокон для достижения регенерации сигнала при его передаче на дальние расстояния, когда использование преобразующих станций невозможно (к примеру, при прокладке трассы под водой).

Допант* — примесь, увеличивающая электрическую или оптическую проводимость материала. В данном случае это эрбий.

Волноводные усилители, легированные эрбием, не являются новинкой последних пару лет. Уже в 90-ые разработки и исследования этой технологии велись по всему миру. По словам исследователей, они использовали именно этот тип усилителей, поскольку электронный переход* для эрбия происходит на той же длине волны (1.5 мкм), что и в современных сетевых технологиях.

Электронный переход* — переход электрона внутри молекулы с одного энергетического уровня на более высокий.

Помимо прочего, исследователи использовали ультрабыструю лазерную плазменную абляцию: лазер высокой интенсивности направляется на поверхность стекла, легированного эрбием; луч лазера пробивает небольшие воронки (впадины) на поверхности стекла, что приводит к формированию тонкой пленки из материала, выработанного во время формирования воронок. Примитивный, но все же пример: после попадания снаряда в землю, образуется воронка, а земля засыпает все вокруг точки попадания.

В момент формирования воронок, исследователи нацеливали свое внимание на порог абляции* стекла. Также были выявлены связи между порогом абляции и диаметром лазерного луча, числом импульсов и концентрацией эрбия в области лазерного «удара».

Абляция* — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом.

Визуализация процесса лазерной абляции. Также мы видим образование воронки

Детальному изучению были подвержены также и образованные воронки, поскольку их морфология может рассказать исследователям как лучше контролировать пористость материала и его способности поглощать и рассеивать свет.

Приготовление опытного образца

Опытные образцы стекла состоят из (80-x)TeO2–10ZnO–10Na2O–xEr2O3, где:

• х равен в разных образцах 0.00, 0.25, 0.50 0.75, 1.00, 1.25, 1.50 моль-процента*;
• TeO2 — диоксид теллура;
• ZnO — оксид цинка;
• Na2O — оксид натрия;
• Er2O3 — оксид эрбия.

Моль-процент* — равен моль доле, умноженной на 100, тем самым показывает сколько моль вещества содержится в 100 моль раствора.

Данные химические реагенты относятся к аналитическим реагентам и имеют степень чистоты более 99.99%. Стекло было синтезировано стандартным путем плавления и закалки. Другими словами основой сего вещества является теллуритовое стекло (далее по тексту просто TZN), которое в своем составе должно содержать диоксид теллура, что мы и видим из формулы выше.

После определения молярной массы каждого из задействованных химических соединений, вещества были измельчены в мелкий порошок с помощью мраморной ступы и пестика.

Далее золотой тигель* с опытным образцом стекла помещался в печь при температуре 875 °С на 3 часа.

Тигель* — емкость для обжига, плавления, высушивания или нагрева различных материалов. В изготовлении тигеля важны огнеупорность и устойчивость к различного рода воздействию. В данном случае используется золотой тигель, поскольку он отлично подходит для особо точных химических работ.

При этом подача кислорода была снижена до 1–2 л/мин, дабы удалить пар из камеры печи и сохранить низкий уровень OH− стекла.

Затем расплав был перелит в заранее нагретую форму из латуни и перенесен в печь для обжига, где при температуре 295 °С находилось в течение 4 часов. Этот этап был необходим для удаления тепловых и механических деформаций. Готовый образец охлаждался до комнатной температуры со скоростью 0.5 °С/мин.

Заключительный этап изготовления: образцы были нарезаны на куски размером 30×30х3 нм³ и отполированы для достижения оптического качества.

Весь процесс изготовления испытуемого стекла, как вы можете заметить, был весьма трудоемким и был сопряжен с весьма точными измерениями как молярной массы составных веществ, так и температур, при которых проводились операции. Теперь перейдем к поискам ответа на вопрос: стоит ли овчинка выделки? Другими словами — какие результаты показывает столь сложное в изготовлении вещество.

Оптические свойства образцов

Проведение рентгенограммы показало, что образцы аморфны. Внедрение 1.5 моль-процента Er2O3 в состав образца увеличило его плотность с 5.18 до 5.27 г/см³. Такое увеличение обосновано заменой TeO2 на Er2O3, обладающий большей молекулярной массой. Показатель преломления теллуритового стекла составляет 2.048. А увеличение числа ионов Er3+ привело к тому, что образец стал темно-розового цвета (до этого был прозрачен), что связано с переходом электронов в возбужденное состояние.

График №1

На графике выше продемонстрированы показатели спектра поглощения образцов, рассчитанный формулой:

α (ν)=A/L, где

L — толщина образца;
А — поглощающая способность, измеренная спектрометром.

TZN демонстрирует невыразительное поглощение примерно в 0.11 см-1 после края полосы поглощения* ультрафиолета на 387 нм.

Край полосы поглощения* — показатель энергии излучения, превысив который резко возрастает поглощение этого излучения веществом.

Если же добавить допант в виде Er3+ ионов, то наблюдается 11 заметных переходов из основного состояния (4I15/2) в различные возбужденные:

4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S3/2, 2H11/2, 4F7/2, 4F5/2, 4F3/2, 2H9/2, 4G11/2

каждое из которых соответствовало длине волны:

1531 (с небольшим скачком 1497), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 и 380 нм.

Энергетические уровни Er3+ иона внутри образца разделены ввиду эффекта Штарка*.

Эффект Штарка* — смещение и расщепление состояния электронной подсистемы иона, определяющего энергетический уровень, во внешнем электрическом поле.

При другой концентрации допанта образцы показали схожие результаты, когда пики увеличивались при увеличении концентрации Er3+ ионов в стекле.

Морфология воронок

Дабы понять все свойства образца необходимо уделить внимание и образованным на нем воронкам.

Изображение №2: воронки и их характеристики

На изображении 2а представлены снимки воронок, сделанные атомно-силовым микроскопом. Каждая воронка была образована единым лазерным импульсом мощностью 36.4, 56.8 и 88.4 мкДж (микроджоуль, 1 мкДж = 10−6 Дж). Размер точки воздействия импульса составил 32.0 мкм.

Как видно из сравнительного графика ниже снимков, профиль каждой из воронок довольно мелкий. При низком уровне мощности импульса, когда флюенс* равен ≲ 2 Дж/см², воронки принимают цилиндрическую форму. При дальнейшем увеличении флюенса воронки переходят в гауссовский профиль.

Снимок образца, на котором видны воронки

Флюенс* — интеграл по времени от плотности потока частиц или энергии.

Вокруг воронок наблюдаются выступающие края, высотой от 20 до 50 нм. С увеличением флюенса лазера высота краев также увеличивается. Помимо прочего были замечены радиальные всплески. Подобные черты обусловлены формированием тонкой расплавленной области под зоной абляции и потоком, генерируемым плазмой. То есть, при низком флюенсе лазера давление плазмы может быть слишком мало, чтобы произошло выделение расплавленного материала из воронки. В следствии таких факторов возникает повторное затвердевание, приводящее к формированию плоского дна воронки.

Подобный эффект будет сильнее в теллуритовом стекле из-за его низкой температуры стеклования* в сравнение с другими типами стекла.

Температура стеклования* — температура, при которой кристаллизующееся вещество переходит в стеклообразное состояние.

2b это снимки дифференциального интерференционно-контрастного микроскопа, на которых мы видим воронки, образованные при мощности лазерного импульса 45.8 мкДж, размере точки воздействия 13.9 мкм и различном числе импульсов.

Изображение №3

На изображении выше представлены снимки воронок при разном флюенсе лазера и числе лазерных импульсов от 10 до 32.

Иррадиация из 32 импульсов, будучи достаточно близко к порогу абляции, приводит к формированию волнистой поверхности воронки (3d), чего нет на образце при 10 импульсах (3а).

Подобные «волны» были наиболее отчетливы и однородны, когда флюенс менее чем в 5 раз превышал порог импульсной абляции (0.85 Дж/см²). Периодичность волн составляла 1.4 мкм, что есть больше, чем длина падающей волны.

На 3e и 3f можно увидеть неровности окружности и гладкость в середине воронки, где гауссовский луч имел меньший флюенс. Если же флюенс еще больше, то образуется столбовидная область (3f).

Допант Er3+ ион

Измерения порога абляции образца с добавленным Er3+ ионом и размером области лазерного воздействия 13.9 мкм не показали значительных изменений при смене концентрации допанта.

Дабы соответствовать выведенной формуле абляции, остающейся неизменной при различном числе импульсов, среднее и стандартное отклонение параметров для всех образцов было следующим:

Fth (1) = 0.51 ± 0.03 Дж/см²;
Fth (∞) = 0.18 ± 0.01 Дж/см²;
k = 0.053 ± 0.009.

Fth (N) = Fth (∞) + [ Fth (1) — Fth (∞)] e-k (N-1), где

Fth — порог абляции;
N — число импульсов на одну точку воздействия;
k — параметр, определяющий скорость с которой порог флюенса близится к бесконечному значению импульса;

Подобные показатели ожидаемы, если концентрация допанта мала, ввиду следующих причин:

• фемтосекундная лазерная абляция является нелинейным процессом из-за сильно интенсивного лазерного поля короткой продолжительности импульса. Из-за чего величина запрещенной зоны* является одним из основных параметров, описывающим этот процесс. И он никак не менялся с увеличением концентрации Er3+ ионов;
• при максимальной концентрации допанта (1.5 моль-процента) линейное поглощение образца увеличилось с 0.11 см-1 до 0.85 см-1. Коэффициент поглощения для нелинейного процесса равен 5.4104 см-1, что на 5 порядков больше если процесс линейный, что говорит об отсутствии оного в образце.
• физические изменения параметров стекла (плотность, показатель преломления и температура плавления) незначительны при низкой концентрации допанта. Как следствие, изменение порога абляции не происходит.

Запрещенная зона* — диапазон значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристаллическом теле.

Подведение итогов

Исследователи смогли проанализировать характеристики теллуритового стекла с примесью Er2O3 под воздействием излучений фемтосекундного лазера. Запретная зона образца составила 3.276 эВ (электрон-вольт), что в два раза превышает фотонную энергию лазера (1.55 эВ или 800 нм). Профиль воронок, создаваемых лазерными импульсами, напрямую зависит от примененного флюенса и числа импульсов. При флюенсе ниже среднего (2 Дж/см²) воронки имеют цилиндрическую форму. Если же флюенс выше среднего, то воронки приобретают черты гауссовского профиля. Флюенс и число импульсов определяют имеет ли место быть наномикро- или макро-структурирование образца. Периодичность «волн» на поверхности образца составила 1.4 мкм, когда было применено несколько импульсов близких к порогу абляции.

Измерения диаметров воронок при различном флюенсе показали порог абляции единого импульса 0.51 Дж/см² при диаметре 13.9 мкм и 0.32 Дж/см² при диаметре 32.0 мкм. Порог абляции при нескольких импульсах был обнаружен после применения около 50 импульсов и был равен 40% от порога при едином импульсе.

Также было выявлено, что порог абляции снижается при увеличении диаметра точки воздействия лазерного излучения, ввиду увеличения вероятности того, что лазерный луч может повредить образец.

При увеличении концентрации примеси Er2O3 до 1.5 моль-процента порог абляции не изменился. Количество удаленного материала при единице примененной энергии составило 6.8 мкм³/мкДж при флюенсе 2 Дж/см². Этот показатель линейно уменьшался.

Уменьшение эффективности абляции при увеличении флюенса может быть связано с повышением отражательной способности поверхности образца.

Для более подробного ознакомления с деталями исследования настоятельно рекомендую ознакомиться с докладом ученых.

Эпилог

Подобные исследования необходимы в современных реалиях, когда любое устройство становится все меньше и меньше. Дабы сохранить, а порой и повысить, его производительность необходимо изучать характеристики новых материалов, переоткрывать уже известные и даже комбинировать новое с давно забытым старым. Конечно, у всего есть свой предел, обусловленный физическими характеристиками. Однако ученые из раза в раз показывают нам, что этот предел еще не достигнут.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

© Habrahabr.ru