О плазменных и лазерных методах изготовления наноструктур в машиностроении

В настоящее время нанотехнологии охватывают обширную область научных и технических интересов, относящихся к электронике, информатике, машиностроению, энергетике, материаловедению, оптике, экологии, измерительной технике, медицине, нанообработке.
Нанотехнологии связаны с физикой, химией, материаловедением, машиностроением, лазерной, ионно-плазменной и электронно-лучевой техникой.
Исследования, измерения и эксперименты в области нанотехнологии очень сложные, вследствие чего возникает острая необходимость в разработке надежных методов моделирования с использованием мощных компьютерных средств для процессов изготовления, функционирования и изучения поведения наносистем и нанообъектов.
Важнейшими направлениями нанотехнологий является создание наноустройств, таких как МДП-наноструктуры, одноэлектронные устройства, транзисторы с нанотрубками, специальные наноматериалы.
Квантовые запоминающие устройства, оптоэлектронные и сверхпроводящие устройства, новые нанотехнологические процессы по сборке наноустройств из отдельных атомов и молекул (технологии сборки «снизу-вверх» и «сверху-вниз»), использование ионно-плазменных, лазерных методов, атомных, электронных и ионных пучков.
Поэтому рассмотрение методов изготовления и моделирования процессов нанотехнологий и изготовления наноструктур с использованием лазерных и плазменных методов является актуальным и своевременным.
Целью данной работы ГОУ ВПО Пензенская государственная технологическая академия – является исследование ионно-плазменных методов нанотехнологий в машиностроении и материаловедении.
Для изучения проблем использования лазеров и ионно-плазменных потоков при формировании сверхтонких наноструктур был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований.
Лазерные методы нанотехнологий имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными методами:
• быстротечность процессов воздействия лазерного излучения, высокие скорости нагрева и охлаждения микрообластей являются определяющим обстоятельством для реализации специальных микроструктур;
• высокие плотности мощности и энергии лазерного излучения;
• локальность области воздействия лазерного излучения.
Для изучения возможности использования лазеров при формировании нанопленок был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований.
Разработан теоретически, экспериментально обоснован и подтвержден метод активации пароплазменного потока, инициированного лазерным излучением при воздействии электрического разряда.
На основании модели процессов, происходящих при электрическом разряде в парах осаждаемого вещества, выполнен расчет энергетической характеристики пароплазменного потока в зависимости от параметров технологического режима.
Разработана методика и экспериментально исследован метод импульсного лазерного нагрева поверхности подложки при лазерном осаждении тонких пленок.
Исследованы технологические режимы нанесения пленок, равномерность распределения конденсата по толщине, электрофизические свойства пленок.
Диаграммы направленности парового факела и зависимости от диаметра светового пятна на мишени определялись путем фотометрирования напыленных пленок на микрофотометре. Для изменения размеров пятна на облучаемой поверхности мишени использовалась расфокусировка лазерного излучения. Учитывая многофакторность технологического процесса получения нанопленок, использовался метод планирования эксперимента с целью выбора режима, дающего оптимальные характеристики нанопленок.
Основными определяющими факторами были: плотность разрядного тока в плазме осаждаемого вещества, плотность энергии излучения лазера на поверхности мишени и приемной поверхности подложки, температура ионно-плазменного потока, температура подложки, величина остаточного давления в вакуумной камере, расстояние мишень – подложка, характеристики материала мишени.
Полученные с использованием лазерных и ионно-плазменных процессов нанопленки нашли широкое применение в МДП-наноструктурах, одноэлектронных установках, в резистивных и полупроводниковых наноструктурах, оптоэлектронных, сверхпроводящих и квантовых устройствах.
Теоретически разработанный, смоделированный на компьютерах и экспериментально подтвержденный метод лазерного и ионно-плазменного получения нанопленок имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами, а именно:
• возможность получения нанопленок из широкого спектра различных материалов, включая тугоплавкие, сверхпроводящие и нанопленки сложного стехиометрического состава;
• возможность получения нанопленок различной толщины и структуры, начиная с островковой с размерами порядка нескольких нанометров и заканчивая сплошными нанопленками;
• структура нанопленок изменялась от островковой (адатомы) до аморфной, поликристаллической и монокристаллической;
• высокая адгезия (сцепляемость) нанопленок с материалом и поверхностью подложек;
• высокая производительность метода, высокие энергии частиц и скорости осаждения нанопленок;
• возможность конгруэнтного нанесения нанопленок сложного состава в вакуумной камере;
• возможность получения нанотрубок и наноматериалов;
• применение нанопленок в широком классе устройств и приборов, таких как МДП-наноструктуры, одноэлектронные, оптоэлектронные, сверхпроводящие и квантовые устройства.
Таким образом, экспериментальная проверка показала удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных, что позволяет использовать данную методику для оценки и оптимизации основных технологических параметров процесса импульсного осаждения тонких пленок.

Источник: www.ltc.ru / «Тяжёлое машиностроение», 2010, №7, с.13-16