Влияние буферных газов на энергетический спектр частиц плазменного факела при лазерной абляции двухкомпонентной мишени SiMn

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследовано влияние давления буферных газов He, Xe, Ar, N2 на энергетический спектр частиц плазменного факела при абляции двухкомпонентной мишени SiMn лазерным излучением нанометровой длительности. Определены функции распределения заряженных частиц факела по скоростям времяпролетным методом зонда Ленгмюра в зависимости от типа и давления газа от 1·10–6 до 4·10–1 Торр. Рассмотрены механизмы немонотонного влияния давления газа на амплитуду и задержку сигнала зонда. Установлено, что буферные газы аргон и азот в широком диапазоне давлений незначительно изменяют энергию частиц. При изменении давления аргона от 1⋅10–5 до 8⋅10–2 Торр задержка прихода максимума сигнала изменяется на 20%, что позволяет плавно изменять свойства синтезированных пленок. Установлена зависимость амплитуды сигнала ферромагнитного резонанса пленок MnxSi1-x (x ~ 0.5) от давления аргона.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Л. С. Паршина

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Author for correspondence.
Email: parshinaliubov@mail.ru
Russian Federation, Москва

Д. С. Гусев

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: parshinaliubov@mail.ru
Russian Federation, Москва

О. Д. Храмова

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: parshinaliubov@mail.ru
Russian Federation, Москва

О. А. Новодворский

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: parshinaliubov@mail.ru
Russian Federation, Москва

Ф. Н. Путилин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: parshinaliubov@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Lowndes D., Geohegan D., Puretzky A., Norton D., Rouleau C. Synthesis of Novel Thin-Film Materials by Pulsed Laser Deposition // Science. 1996. V. 273. P. 898–903. http://www.jstor.org/stable/2891510
  2. Максимов Р.Н., Платонов В.В., Осипов В.В., Карагедов Г.Р., Юровских А.С., Спирина А.В., Шитов В.А. Свойства наночастиц оксида тербия, синтезированных методом лазерной абляции в восстановительной среде // Неорган. материалы. 2023. T. 59. № 2. С. 176–184. https://doi.org/10.31857/S0002337X23020112
  3. Kwok H.S., Kim H.S., Kim D.H., Shen W.P., Sun X.W., Xiao R.F. Correlation between Plasma Dynamics and Thin Film Properties in Pulsed Laser Deposition // Appl. Surf. Sci. 1997. V. 109–110. P. 595–600. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(96)00640-X
  4. Roy R.A., Catania P., Saenger K.L., Cuomo J.J., Rossy R.L. Role of Energetic Atoms and Ions in Ta Films Grown by Different Physical Vapor Deposition Methods // J. Vac. Sci. Technol. B. 1993. V. 11. № 5. P. 1921–1927. https://doi.org/10.1116/1.586523
  5. Новодворский О.А., Паршина Л.С., Храмова О.Д., Михалевский В.А., Щербачев К.Д., Панченко В.Я. Влияние условий импульсного лазерного осаждения на структурные, электрические и оптические свойства тонких пленок VO2 // ФТП. 2015. Т. 49. № 5. С. 577–583. https://doi.org/10.1134/S1063782615050188
  6. Fluri A., Pergolesi D., Roddatis V., Wokaun A., Lippert T. In Situ Stress Observation in Oxide Films and How Tensile Stress Influences Oxygen Ion Conduction // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 10692. https://doi.org/10.1038/ncomms10692
  7. Lunney J.G., Jordan R. Pulsed Laser Ablation of Metals // Appl. Surf. Sci. 1998. V. 127–129. P. 941–946. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(97)00770-8
  8. Novodvorsky O.A., Khramova O.D., Filippova E.O., Wenzel C., Bartha J.W. Energy Distribution of Ions in Plasma Formed by Laser Ablation of Metallic Nb and Ta Targets // Opt. Lasers Eng. 2000. V. 32. P. 449–457. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(00)00013-0
  9. Canulescu S., Dobeli M., Yao X., Lippert T., Amoruso S., Schou J. Nonstoichiometric Transfer During Laser Ablation of Metal Alloys // Phys. Rev. Mater. 2017. V. 1. P. 73402. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.1.073402
  10. Новодворский О.А., Храмова О.Д., Филиппова Е.О., Сагдеев Р.Я., Шевелев А.К., Барта И.В., Венцель К. Исследование характеристик лазерного факела по эмиссионным спектрам при лазерной абляции металлических мишеней из ниобия и тантала в вакууме // Изв. АН. Сер. физ. 2002. Т. 66. № 6. С. 935–938.
  11. Буримов В.Н., Жерихин А.Н., Попков В.Л. Скоростное распределение ионов Ba+ в плазме, возникающей при лазерной абляции высокотемпературной сверхпроводящей мишени // Квантовая электроника. 1995. Т. 22. № 11. С. 1096-1098. https://doi.org/10.1070/QE1995v025n11ABEH000533
  12. Старинский С.В., Шухов Ю.Г., Булгаков А.В. Динамика импульсной лазерной абляции золота в вакууме в режимах синтеза наноструктурных пленок // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. № 8. С. 45–52. https://doi.org/10.1134/S1063785016040258
  13. Dyer P.E., Greenough R.D., Issa A., Key P.H. Spectroscopic and Ion Probe Measurements of KrF Laser Ablated Y-Ba-Ci-O Bulk Samples // Appl. Phys. Lett. 1988. V. 53. № 6. P. 534–536. https://doi.org/10.1063/1.100628
  14. Novodvorsky O.A., Khramova O.D., Wenzel C., Bartha J.W., Filippova E.O. Characterization of Erosion Plume after Ablation of Copper and Tantalum Targets by Excimer Laser Irradiation // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. № 5. P. 3612–3625. https://doi.org/10.1063/1.1594274
  15. Ramana C.V., Smith R.J., Hussain O.M., Julien C.M. On the Growth Mechanism of Pulsed-Laser Deposited Vanadium Oxide Thin Films // Mater. Sci. Eng. B. 2004. V. 111. P. 218–225. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2004.04.017
  16. Giuffredi G., Mezzetti A., Perego A., Mazzolini P., Prato M., Fumagalli F., Lin Y., Liu C., Ivanov I.N., Belianinov A., Colombo M., Divitini G., Ducati C., Duscher G., Puretzky A.A., Geohegan D.B., Fonzo F.D. Non-Equilibrium Synthesis of Highly Active Nanostructured, Oxygen-Incorporated Amorphous Molybdenum Sulfide HER Electrocatalyst // Small. 2020. V. 16. № 44. P. 2004047. https://doi.org/10.1002/smll.202004047
  17. Wang R., Sun P., Wang H., Wang X. Pulsed Laser Deposition of Amorphous Molybdenum Disulfide Films for Efficient Hydrogen Evolution Reaction // Electrochim. Acta. 2017. V. 258. P. 876–882. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.11.138
  18. Hsieh Y.L., Kau L.H., Huang H.J., Lee C.C., Fuh Y.K., Li T.T. In Situ Plasma Monitoring of PECVD nc-Si:H Films and the Influence of Dilution Ratio on Structural Evolution // Coatings. 2018. V. 8. № 7. P. 238. https://doi.org/10.3390/coatings8070238
  19. Donnelly T., Lunney J.G., Amoruso S., Bruzzese R., Wang X., Ni X. Dynamics of the Plumes Produced by Ultrafast Laser Ablation of Metals // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 043309. https://doi.org/10.1063/1.3475149
  20. Паршина Л.С., Храмова О.Д., Новодворский О.А., Петухов И.А., Путилин Ф.Н., Румянцева М.Н., Лотин А.А., Щербачев К.Д., Панченко В.Я. Влияние энергии факела на характеристики пленок SnO2:Sb при использовании бескапельного метода ИЛО // Вычислительные нанотехнологии. 2014. Т. 1. С. 62–67.
  21. Novodvorsky O.A., Parshina L.S., Khramova O.D., Gusev D.S., Drovosekov A.B., Barkalova A.S., Mikhalevsky V.A., Cherebilo E.A., Rylkov V.V. Laser Synthesis of Thin MnxSi1-x Films (x ~ 0.5) on c- and r-Al2O3 Substrates at Different Laser Energy Densities at the Target // Chaos Solit. Fractals. 2021. V. 142. P. 110457. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2020.110457
  22. Паршина Л.С., Дровосеков А.Б., Новодворский О.А., Храмова О.Д., Гусев Д.С., Черебыло Е.А., Баркалова А.С., Черноглазов К.Ю., Веденеев А.С., Рыльков В.В. Эволюция ферромагнетизма пленок MnxSi1−x (x≈0.5), полученных лазерным синтезом на подложках сапфира c- и r- срезов, при изменении плотности энергии лазерного излучения на мишени // ЖЭТФ. 2020. Т. 158. № 4. С. 706–713. https://doi.org/10.31857/S0044451020100132
  23. Anisimov S.I., Luk’yanchuk B.S., Luches A. Three-dimensional Laser Plume Expansion into Vacuum in Hydrodynamic Regime // Appl. Surf. Sci. 1996. V. 96-98. P. 24–32. https://doi.org/10.1016/0169-4332(95)00373-8
  24. Ojeda-G-P A., Schneider C.W., Döbeli M., Lippert T., Wokaun A. Plasma Plume Dynamics, Rebound, and Recoating of the Ablation Target in Pulsed Laser Deposition // J. Appl. Phys. 2017. V. 121. P. 135306. https://doi.org/10.1063/1.4979780
  25. Thestrup B., Toftmann B., Schou J., Doggett B., Lunney J. Ion Dynamics in Laser Ablation Plumes from Selected Metals at 355 nm // Appl. Surf. Sci. 2002. V. 197-198. P. 175–180. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(02)00321-5
  26. Pan S., Li Q., Xian Z., Su N., Zeng F. The Effects of Laser Parameters and the Ablation Mechanism in Laser Аblation of C/SiC Composite // Materials. 2019. V. 12. P. 3076. https://doi.org/10.3390/ma12193076
  27. Rodríguez-Hernández P.E., Quiñones-Galván J.G., Meléndez-Lira M., Santos-Cruz J., Contreras-Puente G.G., de Muere Flores F. Effect of Laser Fluence on Structural and Optical Properties of CuxS Films Grown by Pulsed Laser Deposition at Different Wavelengths // Mater. Res. Express. 2020. V. 7. P. 015908. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab663d
  28. Irimiciuc S.A., Hodoroaba B.C., Bulai G., Gurlui S., Craciun V. Multiple Structure Formation and Molecule Dynamics in Transient Plasmas Generated by Laser Ablation of Graphite // Spectrochim. Acta, Part B. 2020. V. 165. P. 105774. https://doi.org/10.1016/j.sab.2020.105774
  29. Fominski V., Demin M., Fominski D., Romanov R., Goikhman A., Maksimova K. Comparative Study of the Structure, Composition, and Electrocatalytic Performance of Hydrogen Evolution in MoSx~2+δ/Mo and MoSx~3+δ Films Obtained by Pulsed Laser Deposition // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 2. P. 201. https://doi.org/10.3390/nano10020201
  30. Nikolaev S.N., Semisalova A.S., Rylkov V.V., Tugushev V.V., Zenkevich A.V., Vasiliev A.L., Pashaev E.M., Chernoglazov K.Yu., Chesnokov Yu.M., Likhachev I.A., Perov N.S., Matveyev Yu.A., Novodvorskii O.A., Kulatov E.T., Bugaev A.S., Wang Y., Zhou S. Ferromagnetism of MnxSi1-x(x ∼ 0.5) Films Grown in the Shadow Geometry by Pulsed Laser Deposition Method // AIP Adv. 2016. V. 6. P. 015020. https://doi.org/10.1063/1.4941357
  31. Dyer P.E., Issa A., Key P.H. Dynamics of Excimer Laser Ablation of Superconductors in an Oxygen Environment // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 57. № 2. P. 186–188. https://doi.org/10.1063/1.103979
  32. Shin Y.J., Wang L., Kim Y., Nahm H.H., Lee D., Kim J.R., Yang S.M., Yoon J.G., Chung J.S., Kim M., Chang S.H., Noh T.W. Oxygen Partial Pressure during Pulsed Laser Deposition: Deterministic Role on Thermodynamic Stability of Atomic Termination Sequence at SrRuO3/BaTiO3 Interface // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. P. 27305–27312. https://doi.org/10.1021/acsami.7b07813
  33. Novodvorsky O.A., Mikhalevskii V.A., Gusev D.S., Lotin A.A., Parshina L.S., Khramova O.D., Cherebylo E.A. Time-of-Flight Characteristics of a Laser Torch during Ablation of a MnSi Target in Argon Atmosphere // Tech. Phys. Lett. 2018. V. 44. № 3. P. 271–274. https://doi.org/10.21883/PJTF.2018.06.45773.17054
  34. Irimiciuc S.A., Chertopalov S., Novotný M., Craciun V., Lancok J. On the Dynamics of Transient Plasmas Generated by Nanosecond Laser Ablation of Several Metals // Materials. 2021. V. 14. P. 7336. https://doi.org/10.3390/ma14237336
  35. Schou J. Physical Aspects of the Pulsed Laser Deposition Technique: The Stoichiometric Transfer of Material from Target to Film // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 5191–5198. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.10.101
  36. You L., Chua N.T., Yao K., Chen L., Wang J. Influence of Oxygen Pressure on the Ferroelectric Properties of Epitaxial BiFeO3 Thin Films by Pulsed Laser Deposition // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. P. 024105. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.024105
  37. Horwitvitz J.S., Grabowski K.S., Chrisey D.B., Leuchtnera R.E. In Situ Deposition of Epitaxial PbZrxTi(l-x)O3 Thin Films by Pulsed Laser Deposition // Appl. Phys. Lett. 1991. V. 59. P. 1565–1567. https://doi.org/10.1063/1.106284
  38. Рыльков В.В., Николаев С.Н., Черноглазов К.Ю., Аронзон Б.А., Маслаков К.И., Тугушев В.В., Кулатов Э., Лихачев И.А., Пашаев Э.М., Семисалова А.С., Перов Н.С., Грановский А.Б., Новодворский О.А., Храмова О.Д., Хайдуков Е.В., Панченко В.Я. Высокотемпературный ферромагнетизм нестехиометрических сплавов Si1-xMnx (x ≈ 0.5) // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 96. № 4. С. 272–280. https://doi.org/10.1134/S0021364012160114
  39. Rylkov V.V., Gan’shina E.A., Novodvorskii O.A., Nikolaev S.N., Novikov A.I., Kulatov E.T., Tugushev V.V., Granovskii A.B., Panchenko V.Ya. Defect-Induced High-Temperature Ferromagnetism in Si1−xMnx (x = 0.52–0.55) Alloys // Europhys. Lett. 2013. V. 103. № 5. P. 57014. https://doi.org/10.1209/0295-5075/103/57014
  40. Chernoglazov K.Yu., Nikolaev S.N., Rylkov V.V., Semisalova A.S., Zenkevich A.V., Tugushev V.V., Vasil’ev A.L., Chesnokov Yu.M., Pashaev E.M., Matveev Yu.A., Granovskii A.B., Novodvorskii O.A., Vedeneev A.S., Bugaev A.S., Drachenko O., Zhou S. Anomalous Hall Effect in Polycrystalline MnxSi1-x (x ≈ 0.5) Films with the Self-Organized Distribution of Crystallites over Their Shapes and Sizes // JETP Lett. 2016. V. 103. P. 476–483. https://doi.org/10.1134/S0021364016070055
  41. Канулеску С., Пападопулу Э.Л., Англос Д., Липперт Т., Шнайдер К.В., Вокаун А. Механизмы расширения лазерного факела при абляции LiMn2O4 // Журн. прикл. физики. 2009. Т. 105. № 6. С. 063107. https://doi.org/10.1063/1.3095687
  42. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы. М.: Наука, 1982. 224 с.
  43. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 616 с.
  44. Doggett B., Lunney J.G. Langmuir Probe Characterization of Laser Ablation Plasmas // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. P. 033306. https://doi.org/10.1063/1.3056131
  45. Novodvorsky O.A., Wenzel C., Bartha J.W., Khramova O.D., Filippova E.O. The Electron Temperature Distribution of Laser Erosion Plume after Ablation of a Tantalum Target with Excimer Laser in Vacuum // Opt. Lasers Eng. 2001. V. 36. № 3. P. 303–311. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(01)00043-4
  46. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996. 235 с.
  47. Anoop K.K., Harilal S.S., Philip R., Bruzzese R., Amoruso S. Laser Fluence Dependence on Emission Dynamics of Ultrafast Laser Induced Copper Plasma // J. Appl. Phys. 2016. V. 120. P. 185901. https://doi.org/10.1063/1.4967313
  48. Ni K., Anoop K.K., Bianco M., Amoruso S., Wang X., Li T., Hu M., Song Z. Ion Dynamics in Ultrafast Laser Ablation of Copper Target // Chin. Opt. Lett. 2013. V. 11. P. 093201. https://doi.org/10.3788/COL201311.093201
  49. Irimiciuc S.A., Gurlui S., Bulai G., Nica P., Agop M., Focsa C. Langmuir Probe Investigation of Transient Plasmas Generated by Femtosecond Laser Ablation of Several Metals: Influence of the Target Physical Properties on the Plume Dynamics // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 417. P. 108–118. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.03.055
  50. Irimiciuc S.A., Chertopalov S., Lancok J., Craciun V. Langmuir Probe Technique for Plasma Characterization During Pulsed Laser Deposition Process // Coatings. 2021. V. 11. P. 762. https://doi.org/10.3390/coatings11070762
  51. Irimiciuc S.A., Novonty M., Fitl P., Bulir J., More-Chevalier J., Fekete L., Hruska P., Chertopalov S., Vrnata M., Lancok J. In Situ Monitoring of Electrical Resistivity and Plasma during Pulsed Laser Deposition Growth of Ultra-Thin Silver Films // J. Appl. Phys. 2021. V. 130. P. 085301. https://doi.org/10.1063/5.0057317
  52. Irimiciuc S.A., Chertopalov S., Bulir J., Fekete L., Vondracek M., Novotny M., Craciun V., Lancok J. In Situ Optical and Electrical Analysis of Transient Plasmas Generated by ns-Laser Ablation for Ag Nanostructured Film Production // Vacuum. 2021. V. 193. P. 110528. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110528

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the installation for diagnostics of the plasma of the flare by the time-of-flight method using a Langmuir probe

Download (69KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of the plume ion energy E (a) and the time of signal arrival at the MIC maximum (b) on the energy density on the target W during ablation of SiMn target in vacuum

Download (93KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. MIC of the probe signal in He, Ar, Xe and N2 atmosphere at energy density on the target of 10 J/cm2 and different pressures of the buffer gas in the sputtering chamber

Download (196KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the probe EPC amplitude (a) and the delay between the target ablation pulse and the onset of the EPC signal (b) on the He, Ar, Xe, and N2 pressures

Download (215KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Room temperature ferromagnetic resonance amplitude for Si1-xMnx (x ~ 0.5) films obtained at different argon pressures

Download (72KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences