Сообщение лазерные и нанотехнологии

Обновлено: 02.07.2024

Существенное отличие фундаментальных свойств наночастиц и наноматериалов от свойств отдельных составляющих их атомов или молекул и свойств макроскопического вещества обусловливает громадный научный и практический интерес к наночастицам и ансамблям (функциональным материалам) на их основе. В последние примерно 20 лет наблюдается бурное развитие исследований с наночастицами. Значительный прогресс в науке о наночастицах и нанотехнологии достигнут благодаря применению лазеров. Представлен обзор направлений и результатов исследований в области лазерной нанотехнологии. Обсуждаются параметры, свойства, применение, физические и химические методы получения и исследования наночастиц. Подробно рассмотрены получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии. а также физические основы и принципы указанных методов. Показано, что с помощью лазерного излучения можно получать, плавить и испарять наночастицы, изменять их форму, структуру, размер и распределение по размерам, изучать их динамику, создавать периодические массивы, а также различные структуры и ансамбли из наночастиц. Кратко рассматриваются история развития исследований с наночастицами и наноматериалами и применение методов лазерной нанотехнологии в различных областях.

PACS: 36.40.−c, 42.62.Fi, 61.46.−w, 81.05.ue, 81.07.−b, 81.16.−c, 81.16.Nd ( все )
DOI: 10.3367/UFNr.0183.201307a.0673
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2013/7/a/
Цитата: Макаров Г Н "Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии" УФН 183 673–718 (2013)

Поступила: 25 июля 2012, доработана: 17 января 2013, одобрена в печать: 22 января 2013

Лазерная техника и технологии — это совокупность технических устройств, с помощью которых лазерное излучение проходит процессы генерации, приема и преобразования. В докладах и рефератах по использованию лазерных технологий отражается огромный скачок, который произошел в этой сфере с момента открытия физических явлений, послуживших основанием для создания лазера.

Виды технологий

Лазерные технологии (ЛТ) условно можно поделить на два вида. Первый выделяется тонкой фокусировкой луча и точнейшим дозированием энергии, слабой мощностью, как в импульсном, так и в беспрерывном режиме.

С помощью слабых лазеров была разработана технология сверления тоненьких отверстий в рубинах и алмазах и техника создания фильеров. Основная сфера применения слабых устройств связана:

С резкой и сваркой небольших элементов в электронике и электровакуумной промышленности.
С маркировкой элементов, выжиганием номеров, букв и так далее.

В последнее время в одной из важных областей электроники — фотолитографии, без которой нереально представить создание сверхминиатюрных плат для печати, интегральных схем и иных изделий микроэлектронной техники, стандартные световые источники заменяются на лазерные.

Второй вид ЛТ базируется на использовании устройств со средненькой и большой мощностью: от 1кВт и выше. Мощные устройства применяются в таких энергоемких работах как:

Резка и сварка прочных листов стали, внешняя закалка, плавка и легирование крупных элементов.
Очистка сооружений от грязи, резка мрамора, гранита, раскрой тканевых материалов, кожи и так далее.

При сварке металлов с помощью лазера достигается высочайшее качество шва и не требуется эксплуатация вакуумных камер. Мощная технология нашла свое место в автомобилестроении (машиностроении), судостроении, и промышленности стройматериалов. Она помогает не только улучшить качество обработки материалов, но и повысить технико-экономические показатели производства. Какой, бы не была модель лазера, главное, это мощность.

Способы использования

Лазерные технологии сейчас являются востребованными во многих сферах, особенно в промышленных. В науке лазерные устройства считаются важным инструментом в нелинейной оптике. Лазеры можно назвать чудом, ведь они подарили миру новый способ получения объемных изображений, который сейчас называют голографией. Особую роль эти устройства играют в медицине (в хирургии, онкологии, офтальмологии).

Факультеты, которые готовят специалистов в этой области, стали очень популярны, так как эта сфера имеет огромные перспективы.

Лазеры с легкостью могут сформировать маленькое пятно. В офтальмологии посредством лазеров выполняется ряд сложнейших операций, не нарушая целостности глазного яблока. Примером подобной операции считается коррекция зрения с помощью лазерных аппаратов. В онкологии лазеры нужны для выжигания различных опухолей.

В хирургии направленный луч света лазера эксплуатируется в качестве острого и чистого скальпеля, который помогает осуществлять бескровные манипуляции. Помимо этого, лазерно-магнитные аппараты применяются для лечения: кровоточащих ран, язв и иных повреждений. Лазерного типа технологии в Минске часто используются для обработки металлических изделий.

Лазер считается незаменимым устройством в процессе обработки металлов.

С помощью лазерного аппарата дарит можно выполнить много сложных технологических манипуляций. К примеру, просверлить узкие каналы в тугоплавких металлах, поработать над созданием пленочных микроскопических схем. К тому же лазеры работают намного быстрее других агрегатов, поэтому их чаще используют для крупных проектов.

Преимущества и функции

С помощью лазеров можно выполнить немало манипуляций. Современные ЛТ важны в микроэлектронике, где требуется сварка соединений. Плюсом лазера считается отсутствие механического контакта и возможность обработки недоступных элементов. Подобные аппараты также используются для локации и связи.

Достоинством устройств (если говорить кратко) считается узкое направление передачи и широкая полоса частотной пропускаемости. Лазерные измерительные гироскопы считаются главными элементами навигационной системы. Они имеют высочайшую точность, большой диапазон измерения угловых скоростей, свой небольшой дрейф.

Лазеры также можно использовать для определения скорости полетов.

Системы лазерного типа обеспечивают безопасность во время полета, связанную с увеличением точности посадочных систем. Сферы применения лазерных технологий велики и будут постоянно увеличиваться, следовательно, это направление будет развиваться и дальше.

Развитие лазерных технологий в современном мире, благодаря широте своего применения, практически не уступает по темпам роста охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой деятельности микроэлектронике. Это связано в первую очередь с уникальной способностью лазеров концентрировать световую энергию в пространстве. В связи с этим возникли различные направления, среди которых:

лазерная обработка материалов;
лазерный термоядерный синтез;
лазерная химия;
лазерная спектроскопия;
и многие другие.

Стремительный спрос на лазеры отправляет в далекую историю множество аналоговых способов обработки материалов в производстве. Еще совсем недавно многие не имели ни малейшего представления о данной технологии. Сегодня она пользуется большой популярностью в России и в мире.

Настоящим технологическим прорывом можно считать использование энергии лазера в производственной сфере. Благодаря уникальным техническим свойствам возможности производственных предприятий значительно расширились. С помощью лазерного луча можно:

сверлить;
закаливать;
напылять;
сваривать и резать детали из различных материалов;
маркировать и гравировать;
проверять качество обработки деталей;
выполнять множество других не менее важных задач.

Лазерные технологии демонстрируют инновационный потенциал. Применение данной технологии часто приводит к значительному улучшению свойств продукта и является первым существенным шагом на пути к реализации новых продуктов, сокращению издержек на производствах.

Что такое лазер или лазерный источник

Сложно найти человека, который бы ничего не слышал о лазерах. Однако у многих они ассоциируются с чем-то сверхъестественным, возможно, с космическим оружием. Однако лазер далеко уже не фантастика, а рабочий инструмент, используемый в различных областях человеческой деятельности. Впервые твердотельный лазер был изобретен в начале 20 века. Его создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. Несмотря на то, что с момента их производства прошло не так много времени, они получили широкое распространение в повседневной жизни, открыв перед человечеством огромное множество новых направлений для деятельности от медицины до цифровой техники и тяжелых производств.

Лазер представляет собой чрезвычайно сконцентрированный световой поток, испускаемый синхронными источниками в узком направленном диапазоне. Такой инструмент состоит из специальной трубки, внутри которой размещен твердый кристалл. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Волны, перемещаясь от одного зеркала к другому, постепенно набирают интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало, преобразовывая полученную энергию в световой луч, поток фотонов высокой концентрации.

В процессе исследования природы и свойств лазеров были разработаны различные виды этих лучей. По состоянию исходного вещества они могут быть газовыми, жидкостными. Твердотельными или работающими на свободных электронах. В настоящее время имеется несколько способов получения лазерного луча, каждый из которых имеет свои особенности и отличия, благодаря чему они находят применение в различных отраслях промышленности.

Востребованность лазерного оборудования и технологий

Лазеры занимают значимое, а иногда даже и ключевое место в самых различных сферах. С внедрением современных технологий с каждым днем снижается стоимость оборудования, что оказывает огромное влияние на его распространение по всему миру. Высокий уровень оснащения качественным лазерным оборудованием сегодня является одним из основных критериев оценки высокого уровня индустриализации того или иного производства.

На данный момент лазерная индустрия считается одной из ведущих отраслей промышленности. Доля энергии, которую сегодня употребляет лазерная индустрия развитых стран, стремительно растет.

Причины успеха лазеров

Огромный успех лазеров основан в первую очередь на многочисленных преимуществах данной технологии. Основные аргументы в пользу их применения, которые в конце концов приводят к значительным сокращениям временных и финансовых затрат:

максимальная автоматизация;
высокая точность;
повышенная производительность;
бесконтактная работа;
экологичность;
инновационный потенциал.

Лазеры имеют небольшие габариты, благодаря чему могут легко интегрироваться в различные производственные установки. Возможность настройки параметров обработки позволяет взаимодействовать с материалами различной толщины и плотности без заметных задержек. С помощью лазерного оборудования можно производить большие партии продукции, которая реализуется в максимально экономичной степени.

Сфера применения лазерных технологий и лазерных станков.

Сегодня лазерные технологии находят широкое применение в самых различных сферах промышленности. Востребованность их продолжает расти. Например, на данный момент практически вся современная электроаппаратура создается с массовым применением данных технологий под чутким технологическим контролем качества.

Доминирующей областью применения можно обоснованно считать лазерную резку. С появлением лазеров удалось достичь:

автоматизации производства;
высокой скорости обработки деталей;
сокращения объема постобработки деталей;
итоговой минимизации затрат;
повышения качества процесса.

Популярным технологическим решением, используемыми для обработки листового и трубного проката, является лазерная сварка. Здесь наблюдается огромный потенциал увеличения производительности даже при работе с малыми и средними партиями продукции. Главными достоинствами такого вида сварки является высокая скорость производственного процесса, а также непревзойденное качество сварных швов. Необходимость дополнительной обработки в данном случае практически отпадает. Более того, одним из главных преимуществ лазерной сварки является минимальный перегрев околошовной зоны.

Раскрой металла, камня, пластика, дерева с помощью лазера, шовная и точечная сварка, гравировка, различная маркировка и другие виды лазерной обработки часто используются не только крупными приборостроительными и машиностроительными заводами, но и небольшими частными предприятиями и мастерскими, благодаря чему обеспечивается:

достаточно высокая гибкость производства;
максимальная производительность;
экономия энергетических и материальных ресурсов;
возможность использования современных конструкционных материалов.

Лазерные технологии находят также свое применение в медицинской отрасли, военном деле и науке. Особенно востребованы лазеры для выполнения различных косметических, стоматологических, хирургических и офтальмологических операций. Такое решение является идеальным из-за незначительных размеров лазерного пучка и невероятно высокой скорости воздействия.

В строительной сфере лазеры используются для определения расстояния и выстраивания геометрии, а также для производства различных инструментов. Лазерные уровни можно увидеть сегодня практически в каждом строительном магазине. Это довольно востребованный инструмент, отличающийся невысокой стоимостью.

Все возможности лазеров не перечислить. Их существует невероятное количество и каждый год появляются инновации. С каждым днем такие технологии вытесняют другие малоэффективные и становятся незаменимыми. Лазеры используется:

в машиностроении;
автомобилестроении;
при производстве электротехнических устройств и полупроводников;
при создании медицинской техники;
в ювелирном деле;
в аэрокосмической отрасли.

Независимо от того, будет ли это медицина, исследования, приборостроение или телекоммуникации, лазеры давно стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Применение лазеров позволяет удовлетворить самые разнообразные требования современной промышленности, а также получить огромную выгоду, несмотря на довольно высокую стоимость оборудования.

В нашем каталоге вы можете ознакомиться с ассортиментом станков для лазерной резки листового металла, лазерной резки труб, аппаратов лазерной сварки и лазерной очистки, а также многими другими лазерными станками ЧПУ.

Все компьютерные микропроцессоры изготавливаются на кремниевой подложке методом фотолитографии: свет, проходя через шаблон с рисунком схемы, формирует негатив этого рисунка на пластине, закладывая сплетение межсоединений. Увеличивая частоту колебаний световой волны, т. е. переходя от зеленого света к синему, а потом и к ультрафиолетовому, инженеры уменьшают ширину линии рисунка, т. е. сокращают размеры интегральных схем.

Но, похоже, возможности этой технологии исчерпаны: следующие за ультрафиолетовыми рентгеновские лучи трудно сфокусировать, и поэтому рентгеновская литография используется крайне редко. Один из вариантов - использовать сам свет в качестве шаблона. Дж. Дж. Макклеланд со своими коллегами из Национального института стандартов и технологии (США) применил этот метод, чтобы изготовить решетку из хромированных точек на маленькой кремниевой пластине. Размер точки - всего 80 нм - значительно меньше разрешающей способности, обеспечиваемой ультрафиолетовыми лучами. Физики уверены, что с дальнейшим развитием этой технологии можно будет на площади в 1 см2 всего за несколько минут разместить 2 млрд интегральных схем.

Секрет заключается в использовании в качестве линзы лазерного луча. Плотный узкий пучок атомов хрома, получаемый при нагревании навески хрома в СВЧ-печи, пропускают сквозь пучок лазерного излучения, частота которого близка к частоте собственных колебаний атомов хрома. В результате атомы теряют энергию, т. е. охлаждаются. Непосредственно перед кремниевой подложкой эти атомы попадают в еще один лазерный пучок - примерно той же частоты, что и первый. Будучи отраженным от зеркала, этот пучок образует стоячую волну, т. е. волну, пучности и узлы которой фиксированы в пространстве.

Натолкнувшись на такую стоячую волну, атомы хрома вынуждены двигаться либо вверх, к гребню волны, либо вниз, к узлу между гребнями. Таким образом, волна играет роль линзы, отклоняя проходящие сквозь нее атомы от прямой траектории на половину длины волны и выстраивая их в аккуратные линии на поверхности кремниевой пластины. Если пластину осветить двумя взаимноперпендикулярными лазерными пучками, как это сделал Макклеланд, линии превратятся в правильную совокупность точек - решетку. Следующий шаг - сканирование лазером поверхности для создания произвольного рисунка интегральных наносхем.

В технологии позиционирования атомов фокусированным лазерным лучом - такое название физики закрепили за новой технологией - предстоит разрешить немало проблем, прежде чем она появится в заводских цехах. Например, не все атомы фокусируются. Вероятно, будет невозможно стравливать материал, не разрушая рисунка соединений. Но, поскольку теоретически при помощи этой технологии можно создавать схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние, она в конце концов привлечет к себе внимание.

Читайте также: