Тепломассообмен при синтезе функциональных материалов наносекундными лазерными импульсами

Диссертация посвящена комплексному исследованию тепломассообмена при лазерном воздействии на различные материалы в вакууме, фоновых газах различного давления и воде. Создан уникальный стенд USLADA (Universal station for laser ablation deposition and annealing) с модульной конструкцией для проведения комплексных исследований в широком диапазоне условий. Полученные результаты сопоставлялись с результатами численного моделирования и установлена эволюция параметров недоступных для прямого экспериментального наблюдения. По итогам диссертационной работы получены следующие основные результаты: 1. Синтезированы наноструктурные пленки золота и серебра методом лазерной абляции наносекундными импульсами умеренной интенсивности в вакууме и фоновом газе низкой плотности. Установлено, что формирование наноструктур происходит не в лазерном факеле, состоящем преимущественно из атомов, а на поверхности подложки по механизму Фольмера-Вебера-Зельдовича. Продемонстрированы пути управления размером и формой наноструктур путем изменения параметров лазерного осаждения (интенсивность излучения, давление фонового газа, температура подложки). Показано, что при абляции в фоновом газе в лазерном факеле в результате конденсации образуются малые кластеры Aun и Agn (n = 2 – 10), играющие роль центров нуклеации для адатомов, что позволяет управлять кинетикой роста наноструктур. 2. Предложен способ определения массовой толщины плазмонных наноструктурных пленок металлов произвольной морфологии путем измерения их пропускной способности в УФ области спектра, когда оптические свойства наноструктур обусловлены взаимодействием излучения с валентными электронами. Эффективность способа продемонстрирована на примере наноструктурных пленок золота и серебра и найдены зависимости коэффициента пропускания на длине волны 200 нм от массовой толщины пленок. 3. Показано, что наносекундная лазерная обработка металлов (медь, олово) и полупроводников (кремний) на воздухе в условиях развитой абляции приводит к гидрофилизации поверхности. Установлено, что изменение свойств смачиваемости обусловлено обратным осаждением продуктов абляции на поверхность мишени. В режимах обработки в вакууме или импульсами низкой интенсивности, когда обратный поток продуктов отсутствует или минимален, свойства смачивания не изменяются. 4. Обнаружен эффект формирования особой структуры на поверхности кремния в виде периодических микрохолмов размером ~ 10 мкм, покрытых нанопористым оксидом кремния, в специфических условиях лазерного облучения наносекундными ИК импульсами (плотность энергии 4-6 Дж/см2, число импульсов 40-70). Предложен механизм формирования такой иерархической структуры вследствие развития гидродинамической неустойчивости в расплавленном кремнии. Показано, что поверхность кремния, обработанная лазерным излучением в найденных режимах, характеризуется стабильными во времени супергидрофильными свойствами. 5. Найдено, что минимальные значения плотности энергии излучения для лазерной модификации поверхности (пороги модификации) в воде для достаточно тугоплавких металлов (золото, серебро, их сплавы) примерно в 1,5 раза выше, чем соответствующие значения в воздухе. Показано, что более высокие пороги в воде обусловлены рассеянием излучения на межфазной границе пар-жидкость при взрывном вскипании перегретой воды над облучаемой поверхностью. Определены характерные времена формирования экранирующего парового слоя. Продемонстрировано, что для легкоплавких металлов (олово) пороги модификации в воде и воздухе идентичны. 6. Впервые продемонстрировано, что при лазерном облучении олова в жидкости в режимах без испарения возможна эмиссия наночастиц с поверхности под действием давления пара жидкости на расплав металла. 7. Продемонстрирована перспективность применения химически функционализированных лазерно-структурированных поверхностей в задачах интенсификации теплообмена при кипении, управления гидродинамикой при обтекании поверхности сплошным поток и падающими каплями.