Laserinduzierte i Plasmen

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1 Laserinduzierte i Plasmen Hauptseminar WS 07/08 Martin Laux Chrisey & Hubler: Pulsed Laser Deposition of Thin Films 1

2 1. Einleitung Übersicht Plasmabegriff Laser Target Wechselwirkung Plasmabildung Plasmaausbreitung Schichtwachstum Ausblick 2

3 1. Einleitung Plasmabegriff System von Teilchen: Elektronen und Ionen Neutrale Atome und Moleküle Typischer PLD Aufbau: FP I: Gasentladung; Schou: Laser-Beam 3

4 2. WW: Laser - Target Beer sches es Absorptionsgesetz: Mit α -1 : Eindringtiefe Lichtabsorption im Festkörper Wärmeleitung ee Für leitende Materialien: Thermische Diffusionslänge Mit τ L : Pulslänge D: Wärmleitfähigkeit Heizraten bis zu K/ s möglich 4

5 2. WW: Laser - Target Vergleich Metall Absorption: Angeregte Elektronen Wärmeleitung Thermische Volumen: l th 1μm Dielektrikum Absorption: Interband Übergänge Wärmeleitung vernachlässigbar Thermische Volumen: α -1 20nm Starke Erhitzung der Oberfläche bei Dielektrika 5

6 3. Teilchenemission Materialausstoß Mechanismen: Verdampfen & Sieden Elektronen, Atome & Ionen Explosion auch Nano & Mikropartikel Knudsen Schicht Kollisionsreiche Zone Dicke z k 19 λ (mittlere freie Weglänge) z k 0,9μm μ Schou: Plume Dynamics 6

7 4. WW: Laser - Plasma Abschwächungseffekte Reflektion oberhalb einer kritischen Dichte des Plasma: mit λ:wellenlänge Plasmafrequenz: mit n e : Elektronendichte e Dielektrische Funktion:

8 4. WW: Laser - Plasma Abschwächungseffekte Absorption Inverse Bremsstrahlung Einzelphoton Anregungsprozesse Schou: Laser-Beam-Solid Interactions : Fundamental Aspects ; 8

9 5. Expansion Winkelverteilung Bedingungen für die Beschreibung: Starke Vorwärtsrichtung des Plasmawolke senkrecht zur Oberfläche Verbreiterung der Winkelverteilung bei abnehmender Laserspot Größe Flip Over Effekt Starke Vorwärtsausrichtung: Vorwärtspeak Untergrund Schou: Laser-Beam-Solid Interactions : Fundamental Aspects ; 9

10 5. Expansion Expansion in Vakuum Adiabatische Expansion Einsetzen nach Ende des Laserpulses mit T=0 Halbellipsoide Expansion (auf Oberfläche Dichte & Druck konstant) Geschwindigkeit eines Teilchens bestimmt durch seinen Ort E kin << E therm Expansion bestimmt durch Druckgradienten der Plasmawolke Target Substrat Ablagerung Erste Gaswolke 10

11 5. Expansion Expansion in Hintergrundgasen Durch Stöße mit den Gasatomen entstehen zusätzliche Wechselwirkungen: Steigende Fluoreszenz Bildungeiner Schockfront Verlangsamung der Plasmawolke Räumliche Beschränkung Verschiedene Zonen: Niedriger i Druck: Vk Vakuumähnliche ählih Ausbreitung Übergangszone: Plume Splitting Hoher Druck: Diffusionsähnliche Ausbreitung Verlangsamung der Teilchen, Schockwellen 0,1μs 1μs 2,5μs 4,5μs Schou: Plume Dynamics 11

12 5. Expansion Plume-Splitting Schou: Laser-Beam-Solid Interactions: Fundamental Aspects ; 12

13 5. Expansion Schockfront Druck 0 Silizium Atome Silizium Atome 1 bar Abstand von d der Oberfläche 7E 5 0, Gasatome Abstand vo on der Oberfläch he 7E 5 0, ,1 bar 0 7E 5 0,00014 Abstand von der Mitte vom Laserstrahl Volkov, O Konor: Expansion of a laser plume 0 7E 5 0,00014 Abstand von der Mitte vom Laserstrahl 13

14 6. Ablagerung Wachstumsmechanismen Frank van der Merve Wachstum Wachstum Monolage für Monolage Stranski Krastanov Wachstum + Verspannungen Monolage, dann Clusterbildung Volmer Weber Wachstum Clusterbildung Mit E: freie Oberflächenenergie ( S:Substrat, D:Dampf, K:Keim) Wikipedia.org: Schichtwachstum 14

15 6. Ablagerung Vorteile für Bildung dünner Schichten durch Plasma Allgemein: Menge des Materials genau bestimmbar stöchiometrische Zusammensetzung der Elemente bleibt erhalten Einfache Herstellung vielschichtiger Materialien Mit Hintergrundgas: Erhaltung des chemischen Gleichgewichts Induziert chemischer Reaktionen Moderator der Teilchengeschwindigkeit 15

16 8. Nova Laser Ziele und Prinzip Erhitzung durch Laser Plasmabildung Kompression durch Expansion Forschungsziele: Schwelle zur Energiegewinnung erreichen Forschung für Trägheitsfusion d h E i Forschung für Trägheitsfusion Zündung bei 10 8 C Fusionreaktion Führungsstrahl Expansion Thermische Energie Prinzip: Starke Kompression des Target durch Plasmabildung Weitere Energiezufuhr mithilfe der gebildeten Schockwelle Bedingungen für die Zündung erfüllt 16

17 8. Nova Laser Technische Daten: 10 Laserstrahlengängen mit Nd:Glas Lasern Jeweils mit Xenon Blitzlampe gepumt Effizienz: i 1 1,5% 15% Starke Wärmeentwicklung: höchstens 6 Pulse / Tag Optische Weglänge pro Strahl: 600 Fuß 100kJ Energie pro 2 4ns Puls Energie aus Kondensatoren unter den Laser Arrays Durchführung Wikipedia.org: Nova Laser 17

18 8. Nova Laser Durchführung Probleme: Homogenität der Laserstrahlen (Selbstfokussierung) Starke Wechselwirkung der IR Strahlung mit dem Plasma Lösungen: Räumliche Filter Frequenz Verdopplung, aber starker Energieverlust Ergebnisse: Break Even Punkt nicht erreicht wichtige Erkenntnisse zu der Entstehung von Galaxien und Supernovas 18

19 9. Zusammenfassung Zusammenfassung Plasmaexpansion Ablagerung Nova Laser Chrisey & Hubler: PLD of Thin Films ; Wikipedia.org 19

20 10. Quellenangaben Quellen D. B. Chrisey und G. K. Hubler Pulsed laser deposition of thin films Wiley, New York 1994 D. Bäuerle Laser processing and chemistry Springer, Berlin 3rd edition, 2000 C. R. Phipps und R. W. Dreyfus The high irradiance regime: Laser ablation and plasma formation In A. Vertes, R. Gijbels, und F. Adams J. Schou Laser ionization mass analysis Wiley, New York 1993, Vol. 124 of Chemical Analysis, page 369 Laser beam solid interactions: fundamental aspects In Y. Pauleau Material Surface Processing by directed energy Techniques Elsevier, 2006 J. Kools, T. Baller, S. De Zwart, J. Dieleman Gas flow dynamics in laser ablation deposition J. Appl. Phys., Vol. 71, No. 9, 1 May 1992 L. Torrisi, S. Gammino, L. Ando, L. Làska Tantalum ions produced by 1064 nm pulsed laser irradiation J. Appl. Phys., Vol. 91, No. 7, 1 April 2002 A. Volkov, G. O Connor, T. Glynn, G. Lukyanov Expansion of a laser plume from a silicon wafer in a wide range of ambient gas pressures J. Schou Plume Dynamics In J. Schou, S. Amoruso, J. Lunney Laser Ablation and its Applications Springer Berlin, 2007 Diverse Links bei: Wikipedia: Nova Laser Experimente: 20