Анотація до роботи:

Чучман М. П. Емісійні характеристики та фізика процесів в лазерній плазмі галію, індію, свинцю, сурми і сполук на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Ужгородський національний університет, Ужгород, 2005.

В дисертації представлені результати систематичних досліджень емісійних характеристик та параметрів лазерної ерозійної плазми сполук CuInS₂, CuSbS₂, AgGaS₂, PbGa₂S₄ і їх складових при дії на мішень імпульсно-періодичного інфрачервоного випромінювання неодимового лазера питомою потужністю 10⁸-10⁹ Вт/см².

Встановлено, що плазма випромінює внаслідок радіаційної релаксації станів одно- та двоелектронного збудження атомів та однозарядних іонів. Аналіз спектрів та динаміки випромінювання лазерної плазми сполук та їх складових дозволив віднести специфіку поведінки такої плазми на відстані 1 мм від мішені до сильного впливу на процес лазерної ерозії способу введення енергії та виду енергообміну. Особливістю утворення іонів при лазерній ерозії багатокомпонентних мішеней є іонізація та дисоціація молекул сполуки, що відбувається різними механізмами на різних етапах ерозії. Визначено швидкість руху плазми, час рекомбінації іонів, температуру та концентрацію електронів в ній. При поширенні до 7 мм неоднорідність просторового складу та параметрів поступово згладжується при перемішуванні плазми, основним механізмом збудження є рекомбінація.

Аналіз доступної нам літератури вказує на відсутність результатів систематичних досліджень лазерної ерозійної плазми сполук CuInS₂, CuSbS₂, AgGaS₂, PbGa₂S₄ та їх складових в чистому вигляді, які широко використовуються в якості плівкових пристроїв мікро- та оптоелектроніки. Для можливості контролю та оптимізації умов імпульсного лазерного напилення таких плівок, поповнення даних з природи лазерного факела, методом емісійної спектроскопії вперше проведені систематичні дослідження випромінювання та параметрів ерозійної лазерної плазми згаданих матеріалів. Усі викладені нижче результати досліджень є одержаними вперше.

1. Усереднені за часом спектри випромінювання ерозійної плазми на відстані 1 та 7 мм від мішені показують, що випромінююча частина плазми складається з атомів та однозарядних іонів, спектральні лінії яких відповідають радіаційній релаксації станів, які виникають при збудженні одного або двох електронів. Співвідношення інтенсивностей та відсоткових внесків випромінювання іонів різних елементів в спектр ерозійної плазми сполук не відповідає ієрархії енергій іонізації. Інтенсивність випромінювання атомів зростає із віддаленням зони відбору випромінювання від мішені, а для іонів та континууму – зменшується. Іони лазерної плазми складних сполук утворюються внаслідок іонізації та дисоціації молекул на поверхні мішені лазерним випромінюванням. Основна роль при утворенні збуджених станів атомів в ерозійній плазмі, що віддаляється від поверхні, належить рекомбінаційним процесам.

2. Дослідження часових залежностей інтенсивності випромінювання спектральних ліній показали, що динаміка випромінювання однокомпонентної плазми на відстані 1 мм від мішені характеризується двома максимумами, в першому з яких переважає випромінювання іонів та атомів в високоенергетичних збуджених станах, а в другому - випромінювання атомів при переходах із нижніх збуджених станів. Перший максимум з'являється під час дії лазера, тривалість спостереження другого збільшується із пониженням енергії збудженого стану. Інтенсивність випромінювання іонів різко зменшується після припинення дії лазера. Тривалість випромінювання ерозійного факела на основі багатокомпонентних мішеней дещо менша ніж у окремих компонент. Висота першого максимуму інтенсивності випромінювання атомів порівняна з другим. Швидкість поширення лазерної плазми складає величину порядку 10 км/с. При поширенні до 7 мм просторова структура плазми змінюється внаслідок перемішування, а її об’єм збільшується. Динаміка випромінювання представляє один широкий максимум, що може мати складну структуру, яка зумовлена неоднорідністю просторового складу та параметрів плазми. Утворення плазми характеризується двома етапами ерозії: лазерним випромінюванням та випромінюванням плазми разом із локалізованим нагріванням мішені. Специфіка ерозії складних сполук зумовлена дисоціативними процесами для молекулярних іонів і зміною механізму такого процесу при зміні типу енергії, яка підводиться до мішені.

3. Дослідження усереднених за часом відносних заселеностей збуджених станів атомів та іонів дозволили встановити, що розподіл Больцмана в логарифмічному масштабі представляє собою набір прямих. Це свідчить про вибірковість механізмів утворення збуджених станів випромінюючих частинок. Температура електронів, яка відповідає розподілу заселеностей нижніх збуджених станів атомів, знаходиться для різних мішеней в межах десятих часток – одиниць електронвольт, що добре узгоджується з положенням вузьких місць рекомбінаційного потоку. Для верхніх збуджених станів атомів температура як правило нижча, а для іонів взагалі може вказувати на інверсію. Співвідношення температур електронів і вузьких місць рекомбінаційного потоку для лазерної плазми сполук та їх складових вказує на присутність дисоціативних процесів збудження. При поширенні плазми від мішені до 7 мм температура повільно зменшується, а еволюція температури в просторі мало залежить від умов утворення плазми. Вид усередненого за часом розподілу Больцмана для одноелементної плазми ускладнюється внаслідок різної природи збуджених станів атомів, прояву рекомбінаційної нестійкості, особливостей процесу іонізації і просторової неоднорідності складу та параметрів плазми, а для плазми сполук ще додатково і внаслідок специфіки атомізації мішені, конкуренції заселеностей для атомів різних речовин та їх неоднакової хімічної активності.

4. Визначені часові залежності температури та концентрації електронів в лазерній плазмі містять кілька максимумів, положення яких не відповідає положенню максимумів інтенсивності випромінювання на осцилограмах. Температура електронів у часі може змінюватись від десятих часток до одиниць електронвольт. Величина концентрації електронів, на залежностях від часу, змінюється в межах 6 порядків, при середньому за часом значенні ~ 10¹⁶ см^-3, яке з відстанню зменшується в межах одного порядку. Середні значення концентрації електронів у плазмі сполук нижчі ніж для плазми їх складових.

5. Визначення часів тричастинкової рекомбінації іонів в лазерній ерозійній плазмі дозволило показати, що на відстані 1 мм від мішені час рекомбінації однозарядних іонів знаходиться в діапазоні десятків наносекунд, а для двозарядних в околі десяти наносекунд. На відстані 7 мм від мішені часи рекомбінації для іонів різної зарядності відрізняються менше і зростають до ~ 1 мкс. На залежностях інтенсивності випромінювання від часу виявлено ряд ділянок із квазістаціонарними режимами утворення збуджених станів, які змінюються стрибком.

6. Систематизувавши дані про часову зміну інтенсивності випромінювання різних спектральних ліній було виявлено, що на відстані 1 мм від мішені на різних просторових ділянках плазмового факела в його енергобалансі переважають фотостимульовані, радіаційні або кінетичні процеси. На відстані 7 мм від мішені в лазерній плазмі переважають рекомбінаційні процеси, які особливо чітко проявляються в центральних ділянках факела. На задньому фронті плазма квазіізотермічна, сильно перемішується і термалізується.

7. Представлені результати досліджень лазерної ерозійної плазми потрійних халькогенідних сполук та їх складових вказують на можливість: розробки спектроскопічних методів аналізу хімічної структури твердої мішені, покращення властивостей плівок підбором необхідних умов лазерного напилення, розробки джерел плазми та іонів з контрольованими параметрами, використання випромінювання ерозійної плазми для контролю та автоматизації технологічних процесів з її застосуванням.

Публікації автора:

1. Shuaibov A. K., Shimon L. L., Dashchenko A. J., Chuchman M. P. Оptical characteristics of erosion gallium, indium and copper laser plasma // Uzhgorod Scientific Herald. -2000. -Series Physics, Issue 8, Part 2. -P. 348-352.

2. Шуаибов А. К., Шимон Л. Л., Дащенко А. И., Чучман М. П. Оптические характеристики и параметры плазмы лазерного факела с поверхности цинка // Теплофизика высоких температур. -2001. -Т. 39, № 4. -С. 665-667.

3. Шуаибов А. К., Шимон Л. Л., Дащенко А. И., Шевера И. В, Чучман М. П. Оптические характеристики лазерной плазмы галлия // Физика плазмы. -2001. -Т. 27, № 1. -С. 85-88.

4. Шуабов А. К., Шимон Л. Л., Чучман М. П. Оптические характеристики лазерной плазмы кадмия и слоистого кристалла СdAl₂Se₄ // Журнал технической физики. -2001. -Т. 71, Вып. 5. -С. 83-89.

5. Шуаібов А. К., Шимон Л. Л., Дащенко А. Й., Качер І. Е., Чучман М. П. Оптичні характеристики лазерної плазми сурми // Проблеми економічного та соціального розвитку регіону і практика наукового експерименту: Наук.-техн. зб. -Київ-Ужгород-Ніредьгаза, 2001. -Вип. 17. -С. 117-118.

6. Шуаібов О. К., Шимон Л. Л., Дащенко А. Й., Чучман М. П. Спектроскопічна діагностика плазми лазерного розпорошення масивної мішені з сурми // Український фізичний журнал. -2001. -Т. 46, № 11. -С. 1144-1147.

7. Шуаібов О. К., Шимон Л. Л., Дащенко А. Й. Качер І. Е., Чучман М. П. Лазерне розпорошення полікристалічної мішені на основі сполуки CuSbS₂ // Журнал фізичних досліджень. -2002. -Т. 6, № 2. -С. 168-171.

8. Шуаібов О. К., Чучман М. П., Шимон Л. Л., Качер І. Є. Дослідження оптичних характеристик та параметрів лазерної плазми полікристалічної шихти CuInS₂ та її складових // Український фізичний журнал. -2003. -Т. 48, № 3. -С. 223-231.

9. Шуаибов А. К., Чучман М. П., Шимон Л. Л. Оптические характеристики и параметры лазерной плазмы сурьмы // Журнал технической физики. -2003. -Т. 73, Вып. 4. -С. 77-81.

10. Шуаибов А. К., Чучман М. П., Дащенко А. И. Исследование динамики излучения эрозионной лазерной плазмы поликристалла CuInS₂ // Письма в ЖТФ. -2003. -Т. 29, Вып. 10. -С. 23-28.

11. Шуаибов А. К., Чучман М. П. Параметры лазерной плазмы на основе поликристала CuInS₂, меди и индия // Письма в ЖТФ. -2003. -Т. 29, Вып. 12. -С. 1-6.

12. Шуаибов А. К., Чучман М. П., Шимон Л. Л. Эволюция лазерной эрозионной плазмы сурьмы // Теплофизика высоких температур. -2004. -Т. 42, № 3. -С. 353-359.

13. Шуаибов А. К., Чучман М. П., Дащенко А. И. Спектроскопическая диагностика лазерной эрозионной плазмы на основе поликристаллов СuSbS₂ // Оптика и спектроскопия. -2004. -Т. 97, № 4. -С. 674-680.

14. Шуаибов А. К., Чучман М. П., Шимон Л. Л. Эмиссионные характеристики лазерной эрозионной плазмы свинца // Журнал технической физики. -2004. -Т. 74, Вып. 2. -С. 133-135.

15. Шуаібов О. К., Чучман М. П., Шимон Л. Л. Спектроскопічне дослідження характеристик лазерної плазми срібла // Український фізичний журнал. -2004. -Т. 49, № 9. -С. 866-870.

16. Шуаибов А. К., Чучман М. П., Шимон Л. Л. Спектроскопическая диагностика лазерной эрозионной плазмы свинца // Письма в ЖТФ. -2004. -Т. 30, Вып. 24. -С. 49-55.

17. Шуаибов А. К., Чучман М. П. Спектроскопическая диагностика плазмы лазерной эрозии поликристаллической мишени соединения AgGaS₂ // Журнал технической физики. -2005. -Т. 75, Вып. 1. -С. 115-118.

18. Shuaibov A. K., Shimon L. L., Dashchenko A. J., Chuchman M. P. Optical charac-teristics of laser erosion plasma of gallium, indium and copper // Elementary Processes in Atomic Systems. Europhys.

Conf. Abst. and Conf. Prog. -Uzghorod. (Ukraine.) -2000. -Р. 144.

19. Chouchman M. P. Electrons temperature in laser plasma plume of Gallium and Indium // Proc. First Int. Young Scientists Conf. on Appl. Phys. -Kyiv. (Ukraine.) -2001. -P. 169-170.

20. Шуаибов А. К., Шимон Л. Л., Дащенко А. Й., Качер И. Э., Чучман М. П. Спектроскопическая диагностика лазерного распыления мишени из сурьмы и кристаллов CuSbS₂. // Тезисы докладов III Международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”. -Саранск. (Россия.) -2001. -C. 31.

21. Chuchman M. P. Optical characteristics and parameters of antimony laser plasma // Proc. Int. Conf. on Lasers, Applications, and Technologies for Young Scientists (LAT – YS 2002). -Moscow. (Russia.) -2002. -P. 67.

22. Чучман М. П. Спектроскопічна діагностика низькоенергетичної лазерної плазми свинцю // Конференція молодих учених та аспірантів “ІЕФ’2003”. Програма конференції та тези доповідей. -Ужгород. (Україна.) -2003. -С. 48.

23. Сhouchman M. P., Shuaibov A. K., Shimon L. L., Dashchenko A. I., Kacher I. E. Laser ablation of A^IB^IIIC^VI compounds // XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Laser Conference. Book of Abstracts. -Prague (Czech Republic). -2004. -P. 189-190.

24. Сhouchman M. P., Shuaibov A. K., Shimon L. L. Processes and electron temperature in laser erosive plasma of Pb and PbGa₂S₄ // The 4^th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications. Abstracts. -Lecce (Italy). -2004. -P. Tu-P10 - L-4112.