Методы формирования наноструктур и микрокристаллов при фемтосекундном лазерном воздействии на поверхность твердого тела в жидком азоте тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Хорьков Кирилл Сергеевич

• Хорьков Кирилл Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Хорьков Кирилл Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ И ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

§ 1.1. Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с

веществом

§ 1.2. Фемтосекундная лазерная абляция в жидкости

§ 1.3. Используемое оборудование для лазерного синтеза и анализа

получаемых веществ

Выводы к Главе

ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЕ РАССЛОЕНИЕ ГРАФЕНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ С УГЛЕРОДНЫМИ ОБРАЗЦАМИ В ЖИДКОМ АЗОТЕ

§ 2.1. Методы получения графена

§ 2.2. Лазерно-индуцированное формирование графена

2.2.1. Материалы и экспериментальные схемы получения графена с помощью лазерного излучения

2.2.2. Формирование плоских графеновых листов

2.2.3. Формирование скомканного графена

2.2.4. Исследование графеновых листов с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния

§ 2.3. Механизмы формирования графена и возможности его применения

2.3.1. Механизмы формирования графена в жидком азоте

2.3.2. Скомканный графен для обкладок электродов суперконденсаторов

Выводы к Главе

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПРИ ФЕМТОСЕКУНДНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ В ЖИДКОМ АЗОТЕ

§ 3.1. Формирование углеродных монокристаллов в жидком азоте

3.1.1. Формирование монокристаллов углерода на поверхности

3.1.2. Процесс формирования углеродных кристаллов и откол поверхности

§ 3.2. Модель подповерхностного перегрева при лазерном воздействии на углеродные образцы в жидком азоте

3.2.1. Постановка задачи и экспериментальные данные

3.2.2. Модель подповерхностного перегрева при воздействии на мишень серии

ультракоротких импульсов

3.2.3. Результаты моделирования

§ 3.3. Методика сопоставления внешней формы полученных образцов с

совокупностью многогранников роста

Выводы к Главе

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО ФОРМИРОВАНИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР

§ 4.1. Формирование периодических поверхностных структур при обработке вольфрама и молибдена

4.1.1. Лазерное фемтосекундное наноструктурирование поверхности вольфрама

4.1.2. Лазерное фемтосекундное наноструктурирование поверхности молибдена

4.1.3. Лазерная обработка вольфрама и молибдена в жидком азоте

§ 4.2. Формирование системы микрократеров на поверхности титана

§ 4.3. Обработка материалов в режиме множественной филаментации фемтосекундного лазерного излучения

4.3.1. Методика и результаты эксперимента

4.3.2. Обработка материалов из нержавеющей стали в режиме множественной

филаментации

Выводы к Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Благодарности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы формирования наноструктур и микрокристаллов при фемтосекундном лазерном воздействии на поверхность твердого тела в жидком азоте»

ВВЕДЕНИЕ

Разработка методов получения функциональных элементов на основе микро- и наноструктур является одним из важнейших и перспективных направлений развития современных технологий. Углеродные наноструктуры, такие как графен, нанотрубки и наноалмазы широко применяются в различных областях фотоники, микро- и оптоэлектроники в качестве детекторов отдельных молекул газа [1-2], материала обкладок суперконденсаторов c высокой удельной поверхностью и внутренней ёмкостью [3], насыщающихся поглотителей (за счёт сверхбыстрого времени релаксации и сильного поглощения) [2,4] и др. Большой промышленный интерес к наноструктурированным тугоплавким металлам обусловлен их высокой каталитической активностью [5], возможностью использования в неорганических светодиодах, фотоэлектрических элементах [6] и др.

Все известные в настоящее время методы получения графена можно разделить на две группы: синтеза (метод химического осаждения паров, получение графена в электрической дуге, эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности и т.п.) и отделения (микромеханическое расслоение графита, жидкофазное расслоение графита, окисление графита и т.п.). Представленные методы позволяют получить графен высокого качества, но являются длительными и дорогостоящими, в том числе требующими его очистки от вспомогательных и технологических сред. Разработка методов лазерно-индуцированного расслоения графена при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с углеродными образцами в жидком азоте позволяет устранить два серьезных недостатка существующих реализаций метода жидкофазного расслоения: длительность обработки и загрязнение примесями.

Обработка и модификация тугоплавких металлов является сложной технологической задачей. Однако на сегодняшний день разработан ряд методов синтеза наноструктур оксидов и нитридов тугоплавких металлов. Существуют

технологии, основанные на гидро- и сольвотермальных методах синтеза, различных вариантах пиролиза и др. Для этих целей так же применяются лазерные методы. Обработка поверхности образцов фемтосекундным лазерным излучением в жидком азоте, выступающим в качестве криогенной и реакционной жидкости, позволяет сформировать микроструктурированный слой из нитридов тугоплавких металлов (титан, молибден, вольфрам).

Несмотря на многочисленные работы в области взаимодействия лазерного излучения с твердыми телами в жидкости, механизмы формирования наноструктур и микрокристаллов при взаимодействии лазерных импульсов фемтосекундной длительности с материалами в жидком азоте до сих пор недостаточно исследованы. Обладая высокой энергией в сочетании с ультракороткой длительностью, импульсное лазерное излучение позволяет достичь локальных условий в области воздействия, достаточных для удаления, структурирования или изменения фазового состава материала; использование жидкого азота в качестве криогенной и/или реакционной жидкости способствует дополнительному охлаждению и стабилизации сформированных микро- и наноструктур.

Таким образом, можно сделать вывод, что исследование и разработка новых методов лазерного синтеза наноструктур и микрокристаллов в жидком азоте является актуальной задачей создания современной элементной базы фотоники, микро- и оптоэлектроники.

Вышесказанное обуславливает цель настоящей работы - разработка новых методов формирования наноструктур и микрокристаллов при фемтосекундном лазерном воздействии на углеродные образцы (высокоориентированный пиролитический графит, стеклоуглерод) и тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, титан) в жидком азоте.

Для достижения указанной цели были поставлены и выполнены следующие задачи:

1. Изучить влияние условий воздействия и параметров фемтосекундного лазерного излучения на углеродные образцы и тугоплавкие металлы в жидком азоте.

2. Разработать экспериментальные схемы воздействия фемтосекундного лазерного излучения на материалы с различными физико-химическими свойствами в жидком азоте для формирования наноструктур и микрокристаллов.

3. Исследовать механизмы лазерно-индуцированного расслоения графена при фемтосекундном лазерном воздействии на углеродные образцы в жидком азоте.

4. Изучить и обосновать механизмы процессов подповерхностного перегрева и формирования углеродных монокристаллов при воздействии фемтосекундного лазерного излучения в жидком азоте.

5. Исследовать механизмы образования поверхностных микро- и наноструктур, физико-химические и фазовые изменения тугоплавких металлов при воздействии фемтосекундного лазерного излучения в жидком азоте.

Научная новизна работы

1. Получены графеновые материалы (ленты и пластины графена, скомканный графен) при воздействии фемтосекундного лазерного излучения (X = 1030 нм, / = 10 кГц, т = 280 фс, ЕриЬвтах = 150 мкДж) в жидком азоте. Показано, что графеновые материалы представляют собой многослойный графен с толщиной листов до 14 нм. Разработанный подход не уступает традиционным методам микромеханического или жидкофазного расслоения и намного превосходит их по быстроте получения графена.

2. На основании проведенных экспериментов установлены механизмы расщепления графеновых листов (эксфолиация) при воздействии фемтосекундного лазерного излучения на углеродные образцы в жидком азоте: 1) разрыв слабых межплоскостных п-связей, вследствие нагрева интеркалированного азота в решетку графита; 2) отрыв поверхностных слоев

мишени за счёт формирования области высокого давления в стенках лазерной каверны.

3. Получены углеродные микрокристаллы различной формы с размерами 1^10 мкм, произведен анализ процессов, развивающихся при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на углеродные образцы в жидком азоте.

4. Экспериментально обнаружен эффект подповерхностного перегрева при лазерном воздействии излучения (X = 800 нм, т = 50фс, ЕриЬетах = 1 мДж, / = 1 кГц) на углеродные образцы в жидком азоте, приводящий к формированию углеродных монокристаллов.

5. Предложена методика определения фазового состава образующихся углеродных микро- и наноструктур путем сопоставления габитуса получаемых монокристаллов с модельными формами роста известных углеродных (алмаз, С2/т) кристаллических структур.

6. Экспериментально установлено формирование микроструктурированных слоёв нитридов металлов (титан, вольфрам, молибден) при воздействии фемтосекундного лазерного излучения на металлические подложки в жидком азоте.

Научная и практическая значимость

Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологий получения углеродных материалов и наноструктурированных тугоплавких металлов и их нитридов, а также представляют интерес для теоретических и экспериментальных научных работ в области лазерного взаимодействия с веществом.

Полученный с помощью разработанных методов графен является крайне привлекательным материалом для разнообразных практических применений, включая высокоэффективные нанокомпозиты, прозрачные проводящие пленки, датчики, устройства наноэлектроники. В частности, скомканный графен, благодаря своей высокой удельной поверхности, высокой электропроводимости и устойчивости к графитизации по сравнению с плоскими графеновыми листами, может использоваться в качестве перспективного электродного

7

материала для накопителей энергии - электрохимических конденсаторов, имеющих высокую удельную мощность, быстрый заряд-разряд и длинный цикл жизни. Методы формирования углеродных микрокристаллов в жидком азоте представляют интерес для изучения структурных фазовых превращений углерода в нестационарных условиях.

Кроме того, результаты диссертации были положены в основу работ по государственному заданию ВлГУ 3.5531.2017/8.9 ГБ-1106/17, грантов Российского фонда фундаментальных исследований (№16-42-330651, №16-3200760 и №14-02-97508), а также задействованы в учебном процессе на кафедре ФиПМ ВлГУ.

Положения, выносимые на защиту

1. Обработка углеродных мишеней (высокоориентированный пиролитический графит и стеклоуглерод) фемтосекундным лазерным излучением (X = 1030 нм, / = 10 кГц, т = 280 фс, ЕриЬвтах = 150 мкДж) в жидком азоте позволяет получить графеновые материалы различной конфигурации (ленты и пластины, скомканный графен).

2. Формирование графена при фемтосекундном лазерном воздействии в жидком азоте происходит вследствие нагрева интеркалированного азота в решетку графита и разрыва межплоскостных углеродных связей или отрыве поверхностных слоев мишени за счёт формирования области высокого давления в стенках лазерной каверны.

3. Воздействие фемтосекундного лазерного излучения (X = 800 нм, т = 50фс, ЕриЬетах = 1 мДж, / = 1 кГц) на углеродную мишень в жидком азоте приводит к формированию монокристаллических углеродных структур с дальнейшим выводом сформированных кристаллов на поверхность вследствие развития механизма фазового взрыва в подповерхностном слое мишени.

4. Обработка фемтосекундным лазерным излучением тугоплавких металлов (титан, молибден, вольфрам) в жидком азоте позволяет сформировать микроструктурированный слой нитридов металлов (нитрида титана, нитрида вольфрама, нитрида молибдена).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков, 2 таблицы и список литературы, содержащий 1 41 наименований.

Основное содержание диссертации

В первой главе описаны процессы, протекающие при фемтосекундной лазерной абляции, в том числе в жидких средах, способы формирования микро-и наноструктур с помощью лазерного излучения, методы анализа и диагностики свойств полученных материалов, а также описываются материалы, оборудование и методы проведения исследований, которые используются в настоящей работе.

Во второй главе представлены результаты реализации разработанного метода и экспериментальных исследований. Метод обеспечил получение графена разной конфигурации за времена, на несколько порядков меньшие, чем в других способах жидкофазного расслоения графена, а также не загрязненного остатками остатками примесей.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования формирования углеродных микрокристаллов методом прямого лазерного воздействия на поверхность углеродной мишени при температуре жидкого азота. Продемонстрировано, что формирование микрокристаллов происходит в подповерхностном слое и вызвано достижением критических температуры и давления. На основании экспериментальных данных построена упрощенная модель подповерхностного перегрева, позволяющая оценить характер нагрева материала при лазерном воздействии при низких температурах. В рамках модели послойного роста разбиений и графов рассчитаны формы углеродных кристаллов и на основании методики сопоставления внешней формы сравнены с полученными при экспериментах.

Четвертая глава посвящена методам микро- и наноструктурирования металлических материалов фемтосекундным лазерным излучением.

Представлены экспериментальные схемы и результаты лазерного формирования пространственно-периодических структур на поверхности тугоплавких металлов. Описаны экспериментальные результаты формирования системы микрократеров на поверхности титана при воздействии фемтосекундного лазерного излучения в условиях быстрого охлаждения в результате пространственной модуляции интенсивности лазерного излучения. Представлены результаты обработки материалов в режиме множественной филаментации фемтосекундного лазерного излучения с формированием на поверхности комбинированного на микро- и наноуровне рельефа.

Личный вклад автора

Все выносимые на защиту результаты и положения получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор принимал участие в постановке, проведении и обработке результатов всех представленных в работе экспериментов.

Апробация результатов

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных семинарах и конференциях: Третий междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием «Новые материалы» (Москва, 2017); 6-ая, 5-ая Международная конференция по современным нанотехнологиям и нанофотонике для науки и промышленности (Суздаль, 2017, 2016); Х Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2017» (Санкт-Петербург, 2017); XII научной конференции молодых ученых «Жидкие кристаллы и наноматериалы» (Иваново, 2017); 26th Annual International Laser Physics Workshop «LPHYS'17» (Kazan, 2017); Международная конференция молодых ученых, работающих в области углеродных материалов (Троицк, 2017); The 9th International Conference on Photonic Technologies «LANE 2016» (Fürth, Germany, 2016); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT), ICONO/LAT (Minsk, Belarus, 2016;

Moscow, 2013); The 17th & 15th International Conference «Laser Optics» (Saint Petersburg, 2016, 2014); 10-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (Троицк, 2016); Первый Российский кристаллографический конгресс (Москва, 2016); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2016» (Москва, 2016); XII Международная научная конференция Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'2016 (Суздаль, 2016); International Conference "Advanced Carbon Nanostructures", ACNS'2015 (Saint Petersburg, 2015); Fifth Russian-Chinese workshop and school for young scientists on laser physics and photonics «RCWLP&P-2015» (Novosibirsk, 2015); I Международная научно-практическая конференция "Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение (Тамбов, 2015); International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'14 (Cassis, France, 2014); XI Всероссийская конференция «Лазеры и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и применения», ILLA 2014 (Шатура, 2014).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК и международные базы данных Web of Science и Scopus, 3 патента на изобретения и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, а также 20 статей и тезисов в сборниках научных трудов международных и всероссийских конференций и форумов.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ И ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

§ 1.1. Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения

с веществом

Лазерная обработка материалов и процессы, протекающие при взаимодействии и распространении лазерного излучения, особенно ультракороткой длительности, определяют широту использования методик и техник создания, формирования и управления свойствами формируемых микро- и наноструктур. Обладая высокой пиковой мощностью в сочетании с ультракороткой длительностью, импульсное лазерное излучение позволяет достичь локальных условий в области воздействия, достаточных для изменения материала и его свойств, что открывает новые возможности для прецизионной обработки широкого спектра материалов, включая диэлектрики, полупроводники и металлы [7-9]. Использование лазерного излучения ультракороткой длительности широко применяется для наноструктурирования [10-13], модификации и обработки различных материалов [14-17], осаждения тонких пленок, получения коллоидных растворов и множества других [18-21].

В экстремальных условиях температуры и давления, создаваемых быстрым лазерным энерговкладом, может происходить образование метастабильных фаз, новых химических связей, а также формирование сложной морфологии поверхности обрабатываемых образцов [22-24].

Определяющим фактором процесса взаимодействия высокоинтенсивного излучения с мишенью является длительность лазерного импульса (т£) по сравнению с характерными временными масштабами электронно-фононного взаимодействия. Формирование лазерно-индуцированного облака (факела) зависит от механизма абляции и различен для нано-, пико- и фемтосекундного излучения [25-28].

При наносекундном режиме лазерной обработке поверхность материала мишени нагревается до точки плавления, а затем до температуры испарения

[29]. Это связано с тем, что длительность лазерного импульса намного больше времени нагрева ионной подсистемы решетки (т£»тг). При этом электронная температура и температура решетки равны (Те=Т). В течение воздействия лазерного импульса осуществляется передача энергии мишени за счет теплопроводности. Таким образом, разлет продуктов абляции происходит преимущественно за счет тепловых процессов [30]. Длительность лазерного импульса намного больше по сравнению со временем электрон-фононной передачи энергии и испарение материала происходит после образования жидкого (расплавленного) слоя, образованного нагревом и распространением вглубь мишени температурного фронта [19, 30].

При использовании режима пикосекундной абляции, длительность лазерного импульса короче, чем время электрон-фононной передачи энергии (те«ть«тг). При взаимодействии лазерного импульса низкой интенсивности с материалом, большая часть энергии излучения поглощается свободными электронами за счет обратного тормозного излучения. При временах ¿»те, температура ионной подсистемырешетки находится далеко от равновесного состояния, и остаётся значительно меньше электронной температуры (Т«Те). При временах 1«те температура определяется временем охлаждения электронов к концу лазерного импульса, как и в фемтосекундном режиме. При пикосекундном режиме абляции на поверхности происходит процесс испарения материала и образование расплавленного слоя внутри мишени [19].

Воздействие на материал ультракороткими лазерными импульсами (менее 10 пикосекунд) значительно отличается от воздействия более длинными импульсами (наносекундными и микросекундными). В отличие от импульсов большей длительности, где основными механизмами являются тепловое испарение и взрывное вскипание, при фемтосекундных импульсах важными составляющими становятся десорбция возбужденных частиц с поверхности мишени, нелинейное поглощение, развитие лавинной ионизации, неравновесное электронное и колебательное возбуждение вещества мишени, а также эффекты, связанные с перегревом вещества выше термодинамической

точки [30]. На Рисунке 1.1 схематично показаны основные явления, возникающие при воздействии импульсного лазерного излучения различной длительности на непрозрачный материал [28].

Длинный импульс Короткий импульс

ВЫБРОШЕННЫЙ РАСПЛАВЛЕННЫЙ | МАТЕРИАЛ

ПОВЕРХНОСТНЫЙ МУСОР

ДЛИННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИМПУЛЬС

ПОВРЕЖДЕНИЯ СОСЕДНИХ СТРУКТУР

ОТСУТСТВИЕ СЛОЯ ПЕРЕСТРОЙКИ

ПОВЕРХНОСТНАЯ |к РЯБЬ

ОТСУТСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО

УЛЬТРАКОРОТКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИМПУЛЬСЫ

ОТСУТСТВИЕ ПОВРЕЖДЕНИИ У СОСЕДНИХ СТРУКТУР

ЗОНА ОПЛАВЛЕНИЯ

УДАРНАЯ ВОЛНА

Рисунок 1.1. Схема физических процессов, происходящих при взаимодействии импульсного лазерного излучения: а) при длинном импульсе, б) ультракороткой длительности [28]

В случае использования фемтосекундных импульсов длительность импульса оказывается значительно меньше времени релаксации электронов. При этом взаимодействием электронами с решеткой в течение импульса можно пренебречь. После импульса электроны термализуются и быстро охлаждаются за счёт передачи энергии решетки и теплопроводности мишени

Время релаксации температуры электронов для мощностей излучения, способных расплавить металл, имеет порядок 10-100 пс. Время охлаждения быстрых электронов и значительной передачи энергии от электронов решётке составляет порядка 1-10 пс [30]. Таким образом, при абляции фемтосекундными импульсами выброс материала мишени и образование плазменного факела начинается позже окончания импульса.

Нагрев металлической мишени импульсом лазерного излучения фемтосекундной длительности может описываться двухтемпературной моделью, в предположении, что электроны успевают термализоваться:

дТ

дТ,

= У(Те - Т) + (1- ЮШае

ах

дх

дх

(1)

где Се и С - теплоёмкости электронного газа и решетки (на единицу объема), Хе - электронная теплопроводность, у - параметр, характеризующий скорость электрон-решеточной релаксации, а и Я - коэффициенты поглощения и отражения материала мишени. Электронная теплопроводность и теплоёмкость могут быть представлены в виде Се = С'еТе и Ае = А;(Т;)Те/Т;, где Сё - константа, А;(Т;) - теплопроводность металла [30].

В данной системе выражений можно выделить три характерных временных масштаба: время охлаждения электронного газа за счет передачи тепла решетке (временя электрон-фононной передачи энергии) те, характерное время нагрева решетки т и длительность лазерного импульса ть. Для фемтосекундных импульсов выполняется условие ть«те «ъ.

ТеЮ-(7?(* = 0)+Ы®^е-»)1/2 (3)

Таким образом, при условии, что интенсивность остается неизменной и температура электронов после окончания лазерного импульса намного больше первоначальной, тогда

'2Раа\1/2 г-

Те(ч) - (2гаг)' е(-х/^, (4)

где Га=(1-Я)1ать - поглощенная энергия лазерного импульса (на единицу поверхности), 8=2/а - глубина скин-слоя.

Максимальная температура решетки определяется средней скоростью остывания электронов и может быть оценена как:

7 тах — 7е2(т1) ^Т — (5)

Учитывая, что нагрев решетки в процессе электрон-решеточной релаксации в металле происходит на временах порядка десятков пикосекунд, то при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов, процесс абляции может рассматриваться как прямой переход твердое тело-пар (плазма), хотя описание

всех процессов воздействия фемтосекундных лазерных импульсов требует более детального анализа [30].

В статьях [7-8] дается представление о временных интервалах, при которых протекают различные процессы лазерной абляции, представленные на Рисунке 1.2. Исходя из материалов обеих статей можно сделать вывод о том, что процессы, протекающие при взаимодействии лазерных импульсов с веществом изучены в большей степени для более длительных импульсов.

| Металлы Полупроводники и Диэлектрики

Фемто- и пикосекундные импульсы

0,1 пс 1-

1 ПС -1—

10 пс —I-

Вложение энергии Перенос в решётку

Плавление, разгрузка

Субнаносекундные импульсы

100 пс 1000 пс —I-

т

Рекристаллизация

????? Абляция: "кулоновский взрыв", откол, фазовый взрыв????? I

Т

Область

теплового

воздействия

Теплопроводность

4

10 нм 30 нм 100 нм 300 нм 1000 нм

Лазерный электронный нагрев

Генерация

*---- свободных электронов

Нетепловое фазовое Плазменное

преобразование состояние

ж

Уравновешивание решетки

I

Кулоновский взрыв

Гомогенное плавление

^ Сверхкритическая жидкость

Г"

кг

Гетерогенное плавление

Расплавленный поток н затвердевание ---------> Модификация морфологии поверхности

1 1----► Микроструктурная модификация

Рисунок 1.2. Временные диаграммы последовательности физических процессов, представляющих фемтосекундную лазерную абляцию [7-8]

Использование фемтосекундных лазерных импульсов для обработки материалов различного типа от металлов до диэлектриков с широкой энергетической щелью даёт определённые преимущества по сравнению с более длинными импульсами. Это связано с тем, что на временах порядка длительности лазерного импульса теплопроводность и газодинамический отклик материала пренебрежимо малы, поэтому энергия лазерного излучения локализуется в небольшой области, размерами которой можно управлять. Кроме того, унос вещества с поверхности мишени происходит после окончания действия лазерного импульса, что автоматически исключает эффект экранирования лазерного излучения плазмой факела, что в свою очередь позволяет минимизировать потери энергии. Вследствие этого абляция облучаемых материалов начинается при более низких интенсивностях, чем при

использовании более длинных импульсов, когда заметная доля энергии лазерного импульса поглощается плазмой лазерного факела и уходит вглубь мишени за счёт теплопроводности. Также, за время действия фемтосекундного лазерного импульса не происходит плавления вещества мишени, в отличие от пикосекундных и наносекундных импульсов. Поэтому лазерную абляцию в случае использования фемтосекундных импульсов можно рассматривать как очень быстрый переход твердое тело-пар [30].

На Рисунке 1.3, для сравнения, представлены изображения со сканирующего электронного микроскопа отверстий, просверленных в стальной фольге лазерным излучением с различной длительностью импульсов.

Рисунок 1.3. Примеры РЭМ-изображений отверстий, просверленных в стальной фольге лазерным излучением с параметрами: (а) длительность импульса тp=3,3 нс, энергия в импульсе E=1 мДж, плотность энергии ^=4,2 Джсм-2; (б) тp=80 пс, Е=900 мкДж, ^=3,7 Джсм-2; (в) тp=200 фс, Е=120 мкДж, ^=0,5Джсм-2 [25]

За последние 30 лет интенсивного исследования фемтосекундной лазерной абляции были установлены основные абляционные режимы: испарение, гидродинамический разлёт закритического флюида (фазовый взрыв) и отрыв (откол) части слоя расплава, также за последнее десятилетие было открыто несколько новых физических явлений, например, таких как, подповерхностное кипение и пенообразование [8].

При взаимодействии лазерного излучения с веществом, вследствие фотоэмиссии электронов в поверхностном слое накапливается положительный заряд и происходит удаление тонкого слоя мишени, при этом на поверхности может наблюдаться изменение рельефа поверхности, в том числе на наноуроване. Переход из твердого состояния в газовую фазу может также происходить ступенчато, путем плавления мишени, за счет испарения

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хорьков Кирилл Сергеевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Schedin F., Geim A.K., Morozov S.V., Hill E.W., Blake P., Katsnelson M. I., Novoselov K.S. Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene //Nature materials. - 2007. - V. 6. - №. 9. - P. 652.

[2] Hua-Qiang W., Chang-Yang L., Hong-Ming L., He Q. Graphene applications in electronic and optoelectronic devices and circuits //Chinese Physics B. - 2013. -V. 22. - №. 9. - P. 098106.

[3] Liu C., Yu Z., Neff D., Zhamu A., Jang B.Z. Graphene-based supercapacitor with an ultrahigh energy density //Nano letters. - 2010. - V. 10. - №. 12. - P. 4863.

[4] Bao Q., Zhang H., Wang Y. et al. Atomic-layer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed lasers //Advanced Functional Materials. - 2009. - V. 19. - №. 19. - P. 3077.

[5] Ochoa R., Bi X.X., Rao A.M., Eklund P.C. Transition metal nitride and carbide nanoparticles //The Chemistry of Transition Metal Carbides and Nitrides. - Springer, Dordrecht, 1996. - P. 489.

[6] Tseng Y.C., Mane A.U., Elam J.W., Darling S.B. Ultrathin molybdenum oxide anode buffer layer for organic photovoltaic cells formed using atomic layer deposition //Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2012. - V. 99. - P. 235.

[7] Shugaev M.V., Wu C., Armbruster O. et al. Fundamentals of ultrafast lasermaterial interaction //MRS Bulletin. - 2016. - V.41. - №.12. - P.960-968.

[8] Ионин А.А., Кудряшов С.И., Самохин А.А. Абляция поверхности материалов под действием ультракоротких лазерных импульсов //Успехи физических наук. - 2017. - Т.187. - №.2. - С.159-172.

[9] Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции //Успехи физических наук. - 2002. - Т.172. - №.3. - С.301-333.

[10] Заботнов С. В., Головань Л.А., Остапенко И.А. и др. Фемтосекундное наноструктурирование кремниевых поверхностей //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2006. - Т. 83. - №. 2. - С. 76-79.

[11] Korte F., Serbin J., Koch J. et al. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses //Applied Physics A. - 2003. - V. 77. - №. 2. - P. 229-235.

[12] Завестовская И.Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов //Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - №. 11. - С. 942-954.

[13] Vorobyev A. Y., Guo C. Femtosecond laser nanostructuring of metals //Optics express. - 2006. - V. 14. - №. 6. - P. 2164-2169.

[14] Голосов Е.В., Емельянов В.И, Ионин А.А. и др. Модификация поверхности титана импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности//Физика и химия обработки материалов. - 2010. - №. 2. - С.10-14.

[15] Кононенко В.В., Пашинин В.П., Комленок М.С. и др. Модификация кварцевого стекла лазерными импульсами фемтосекундной длительности //Компьютерная оптика. - 2009. - Т. 33. - №. 3. - С. 254-259.

[16] Zhang Y.L., Chen Q.D., Xia H., Sun H.B. Designable 3D nanofabrication by femtosecond laser direct writing //Nano Today. - 2010. - V. 5. - №. 5. - P. 435-448.

[17] Martinez A., Dubov M., Khrushchev I., Bennion, I. Direct writing of fibre Bragg gratings by femtosecond laser //Electronics Letters. - 2004. - V. 40. - №. 19.

- P. 1170-1172.

[18] Аракелян С.М. Введение в фемтонанофотонику: фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов: учебное пособие / С.М. Аракелян, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.Г. Рау, А.Г. Сергеев; под общ. ред. С.М. Аракеляна.

- М.: Логос, 2015. - 744 с.

[19] Макаров Г. Н. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии//Успехи физических наук. - 2013. - Т. 183. - №. 7. - С.673-718.

[20] Eason R. Pulsed laser deposition of thin films: applications-led growth of functional materials. - John Wiley & Sons, 2007.

[21] Штанский Д.В., Кулинич С.А., Левашов Е.А. и др. Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких пленок //Физика твердого тела. - 2003. - Т. 45. - №. 6. - С. 1122-1129.

[22] Kanasaki J., Inami E., Tanimura K. et al. Formation of sp3-Bonded Carbon Nanostructures by Femtosecond Laser Excitation of Graphite //Physical review letters. - 2009. - V. 102. - №. 8. - P. 087402.

[23] Vailionis A., Gamaly E.G., Mizeikis V. et al. Evidence of superdense aluminium synthesized by ultrafast microexplosion //Nature communications. - 2011.

- V. 2. - P. 445.

[24] Narayan J., Bhaumik A. Novel phase of carbon, ferromagnetism, and conversion into diamond //Journal of Applied Physics. - 2015. - V. 118. - №. 21. -P. 215303.

[25] Chichkov B. N., Momma C., Nolte S. et al. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids //Applied Physics A. - 1996. - V. 63. - №. 2. - P. 109-115.

[26] Miller J. C. (ed.). Laser ablation: principles and applications. - Springer Science & Business Media, 2013. - V. 28.

[27] Кононенко Т.В., Конов В.И., Гарнов С.В. и др. Сравнительное исследование абляции материалов фемтосекундными и пико/наносекундными лазерными импульсами //Квантовая электроника. - 1999. - Т. 28. - №. 2. - С. 167-172.

[28] Hamad A. H. Effects of Different Laser Pulse Regimes (Nanosecond, Picosecond and Femtosecond) on the Ablation of Materials for Production of Nanoparticles in Liquid Solution //High Energy and Short Pulse Lasers. - InTech, 2016.

[29] Блонский И.В., Данько А.Я., Кадан В.Н. и др. Влияние поперечного размера факела лазерно-индуцированной плазмы на процессы обработки материалов //Журнал технической физики. - 2005. - Т. 75. - №. 3. - С. 74-80.

[30] Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество / А.В.Булгаков, Н.М. Булгакова, И.М. Бураков и др. -Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2009. - 462 с.

[31] von der Linde D., Sokolowski-Tinten K. Physical mechanisms of short-pulse laser ablation //ICONO'98: Fundamental Aspects of Laser-Matter Interaction and New Nonlinear Optical Materials and Physics of Low-Dimensional Structures. -International Society for Optics and Photonics, 1999. - V. 3734. - P. 2-10.

[32] Неволин В.Н., Фоминский В.Ю., Гнедовец А.Г., Романов Р.И. Импульсное лазерное осаждение наноструктурированных композитных покрытий. I. Исследование структуры и свойств //Физика и химия обработки материалов. - 2009. - №. 4. - С. 39-47.

[33] Новодворский О.А., Храмова О. Д., Рыльков В.В. и др. Новые подходы в реализации импульсного лазерного синтеза материалов и структур микро- и

нанофотоники //Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. -2014. - №. 3. - С. 68-77.

[34] Yasumaru N., Miyazaki K., Kiuchi J. Femtosecond-laser-induced nanostructure formed on hard thin films of TiN and DLC //Applied Physics A: Materials Science & Processing. - 2003. - V. 76. - №. 6. - P. 983-985.

[35] Кононенко Т.В., Конов В.И., Лубнин Е.Н., Даусингер Ф. Импульсное лазерное напыление твердого углеродного покрытия при атмосферном давлении //Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33. - №. 3. - С. 189-191.

[36] Новодворский О.А., Паршина Л.С., Храмова О.Д. и др. Влияние условий импульсного лазерного осаждения на структурные, электрические и оптические свойства тонких пленок VO2 //Физика и техника полупроводников. - 2015. - Т. 49. - №. 5. - С. 577-583.

[37] Abramov D.V., Antipov A.A., Arakelian S.M., Khor'kov K.S. et al. New advantages and challenges for laser-induced nanostructured cluster materials: functional capability for experimental verification of macroscopic quantum phenomena //Laser Physics. - 2014. - V.24. - №7. - P.074010.

[38] Бармина Е.В., Стратакис Э., Фотакис К., Шафеев, Г.А. Генерация наноструктур при лазерной абляции металлов в жидкостях: новые результаты //Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - №. 11. - С. 1012-1020.

[39] Симакин А. В., Воронов В. В., Шафеев Г. А. Образование наночастиц при лазерной абляции твердых тел в жидкостях //Труды института общей физики им. АМ Прохорова. - 2004. - Т. 64. - С. 83-107.

[40] Бозон-Вердюра Ф., Брайнер Р., Воронов В.В. и др. Образование наночастиц при лазерной абляции металлов в жидкостях //Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33. - №. 8. - С. 714-720.

[41] Антипов А.А., Аракелян С.М., Кутровская С.В. и др. Осаждение биметаллических кластеров Au/Ag с использованием метода лазерного осаждения наночастиц из коллоидных систем //Оптика и спектроскопия. - 2014. - Т. 116. - №. 2. - С. 349-349.

[42] Кучерик А.О., Аракелян С.М., Гарнов С.В., Кутровская С.В., Ногтев Д.С., Осипов А. В., Хорьков К.С. Двухэтапный лазерно-индуцированный синтез линейных цепочек углерода //Квантовая электроника. - 2016. - Т. 46. - №. 7. -С. 627-633.

[43] Yang G.W. Laser ablation in liquids: applications in the synthesis of nanocrystals //Progress in Materials Science. - 2007. - V. 52. - №. 4. - P. 648-698.

[44] Al-Hamaoy A., Chikarakara E., Jawad H. et al. Liquid Phase-Pulsed Laser Ablation: A route to fabricate different carbon nanostructures //Applied Surface Science. - 2014. - V. 302. - P. 141-144.

[45] Russo P., Hu A., Compagnini G. et al. Femtosecond laser ablation of highly oriented pyrolytic graphite: a green route for large-scale production of porous graphene and graphene quantum dots //Nanoscale. - 2014. - V. 6. - №. 4. - P. 23812389.

[46] Tsuji T., Kakita T., Tsuji M. Preparation of nano-size particles of silver with femtosecond laser ablation in water //Applied Surface Science. - 2003. - V. 206. -№. 1. - P. 314-320.

[47] Kabashin A.V., Meunier M. Synthesis of colloidal nanoparticles during femtosecond laser ablation of gold in water //Journal of Applied Physics. - 2003. - V. 94. - №. 12. - P. 7941-7943.

[48] Chakif M., Essaidi A., Gurevich E. et al. Generation of NiTi nanoparticles by femtosecond laser ablation in liquid //Journal of materials engineering and performance. - 2014. - V. 23. - №. 7. - P. 2482-2486.

[49] Georgakilas V., Perman J.A., Tucek J., Zboril R. Broad family of carbon nanoallotropes: classification, chemistry, and applications of fullerenes, carbon dots, nanotubes, graphene, nanodiamonds, and combined superstructures //Chemical reviews. - 2015. - V. 115. - №. 11. - P. 4744-4822.

[50] Беленков Е.А., Грешняков В.А. Структура, свойства и возможные механизмы формирования алмазоподобных фаз //Физика твердого тела. - 2016. - Т. 58. - №. 10. - С. 2069-2078.

[51] Simakin A.V., Obraztsova E.D., Shafeev G.A. Laser-induced carbon deposition from supercritical benzene //Chemical Physics Letters. - 2000. - V. 332. -№. 3. - P. 231-235.

[52] Liu P., Cao Y.L., Wang C.X. et al. Micro-and nanocubes of carbon with C8-like and blue luminescence //Nano letters. - 2008. - V. 8. - №. 8. - P. 2570-2575

[53] Liu P., Cui H., Wang C. X., Yang G.W. From nanocrystal synthesis to functional nanostructure fabrication: laser ablation in liquid //Physical Chemistry Chemical Physics. - 2010. - V. 12. - №. 16. - P. 3942-3952.

[54] Yan Z., Chrisey D.B. Pulsed laser ablation in liquid for micro-/nanostructure generation //Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. - 2012. - V. 13. - №. 3. - P. 204-223.

[55] Shabalin I.L. Ultra-high temperature materials I: carbon (graphene/graphite) and refractory metals. - Springer, 2014.

[56] Чкалов Р.В., Лоханов А.В., Хорьков К.С., Кочуев Д.А. Программа обеспечения управления комплексом фемтосекундной лазерной микрообработки // Свид. рег. прогр. ЭВМ № 2017613881 опубл. 03.04.2017.

[57] Зондовая НаноЛаборатория ИНТЕГРА Спектра // Руководство пользователя. NT-MDT. -2010. - c. 104.

[58] Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А., Красиков Д.Н. Графен: методы получения и теплофизические свойства //Успехи физических наук. -2011. - Т. 181. - №. 3. - С. 233-268.

[59] Алексеенко А.Г. Графен//М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. - 2014. 177 с.

[60] Ткачев С.В., Буслаева Е.Ю., Губин С.П. Графен новый углеродный наноматериал //Неорганические материалы. - 2011. - Т. 47. - №. 1. - С. 5-14.

[61] Грайфер Е.Д., Макотченко В.Г., Назаров А.С. и др. Графен: химические подходы к синтезу и модифицированию //Успехи химии. - 2011. - Т. 80. - №. 8.

- С. 784-804.

[62] Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G.H. et al. Graphene-based composite materials //Nature. - 2006. - V. 442. - №. 7100. - P. 282.

[63] Разумов В.Ф. Графен - новый прорыв в области нанотехнологий //Российские нанотехнологии. - 2010. - Т. 5. - №. 11-12. - С. 17-22.

[64] Avouris P., Xia F. Graphene applications in electronics and photonics //Mrs Bulletin. - 2012. - V. 37. - №. 12. - P. 1225-1234.

[65] Юдинцев В. Графен. Наноэлектроника стремительно набирает силы //Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2009. - №. 6. - С. 82-89.

[66] Ivanovskii A.L. Graphene-based and graphene-like materials //Russian Chemical Reviews. - 2012. - V. 81. - №. 7. - P. 571.

[67] Shahil K.M., Balandin A.A. Thermal properties of graphene and multilayer graphene: Applications in thermal interface materials //Solid State Communications.

- 2012. - V. 152. - №. 15. - P. 1331-1340.

[68] Галашев А.Е., Рахманова О.Р. Устойчивость графена и материалов на его основе при механических и термических воздействиях //Успехи физических наук. - 2014. - Т. 184. - №. 10. - С. 1045-1065.

[69] Yan Z., Nika D.L., Balandin A.A. Thermal properties of graphene and few-layer graphene: applications in electronics //IET Circuits, Devices & Systems. -2015. - V. 9. - №. 1. - P. 4-12.

[70] Novoselov K.S., Jiang D., Schedin F. et al. Two-dimensional atomic crystals //Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2005. - V. 102. - №. 30. - P. 10451-10453.

[71] Hernandez Y., Nicolosi V., Lotya M. et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature. nanotech. - 2008. - V. 3. - N. 9. -P. 563-568.

[72] Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф. и др. Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000 К. Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 84. - № 5. - С. 315-319.

[73] Абрамов Д.В., Герке М.Н., Кучерик А.О. и др. Образование наноструктур на поверхности стеклоуглерода при лазерном воздействии. Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37. - № 11. - С. 1051-1055.

[74] Abramov D., Arakelian S., Kochuev D., Makov S., Prokoshev V., Khorkov K. Interaction of femtosecond laser radiation with carbon materials: exfoliation of graphene structures and synthesis of low-dimensional carbon structures // Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. - 2016. - V. 7(1). - P. 220-225.

[75] Mortazavi S.Z., Parvin P., Reyhani A. Fabrication of graphene based on Q-switched Nd:YAG laser ablation of graphite target in liquid nitrogen //Laser Physics Review Letters. - 2012. - V. 9. - №. 7. - P. 547.

[76] Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Кочуев Д.А., Маков С.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С. Способ получения графена. Патент РФ на изобретение № 2572325 от 10.01.2016.

[77] Ferrari A.C., Meyer J.C., Scardaci V. et al. Raman spectrum of graphene and graphene layers //Physical review letters. - 2006. - V. 97. - №. 18. - P. 187401.

[78] Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects //Solid state communications. -2007. - V. 143. - №. 1. - P. 47-57.

[79] Malard L.M., Pimenta M.A.A., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S. Raman spectroscopy in graphene //Physics Reports. - 2009. - V. 473. - №. 5. - P. 51-87.

[80] Ferrari A.C., Robertson J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon //Physical Review B. - 2001. - V. 64. - №. 7. -P. 075414.

[81] Zheng J., Liu H., Wu B. et al. Production of High- Quality Carbon Nanoscrolls with Microwave Spark Assistance in Liquid Nitrogen //Advanced Materials. - 2011. - V. 23. - №. 21. - P. 2460-2463.

[82] Кнунянц И.Л. Краткая химическая энциклопедия. — М.: Рипол Классик, 2013. - 560 с.

[83] Khorkov K.S., Kochuev D.A., Ilin V.A. et al. Mechanisms of graphene exfoliation under the action of femtosecond laser radiation in liquid nitrogen //Journal of Physics: Conference Series.- IOP Publishing, 2018. - V. 951. - №. 1. - P. 012014.

[84] El Rouby W.M.A. Crumpled graphene: preparation and applications //RSC Advances. - 2015. - V. 5. - №. 82. - P. 66767-66796.

[85] Zang J., Ryu S., Pugno N. et al. Multifunctionality and control of the crumpling and unfolding of large-area graphene //Nature materials. - 2013. - V. 12. -№. 4. - P. 321-325.

[86] Cranford S.W., Buehler M.J. Packing efficiency and accessible surface area of crumpled graphene //Physical Review B. - 2011. - V 84. - №. 20. - P. 205451.

[87] Stoller M.D., Park S., Zhu Y. et al. Graphene-based ultracapacitors //Nano letters. - 2008. - V. 8. - №. 10. - P. 3498-3502

[88] Raccichini R., Varzi A., Passerini S., Scrosati B. The role of graphene for electrochemical energy storage //Nature materials. - 2015. - V. 14. - №. 3. - P. 271279

[89] Mochalin V.N. Shenderova O., Hon D., Gogotsi Y. The properties and applications of nanodiamonds //Nature nanotechnology. - 2012. - V. 7. - №. 1. - P. 11-23.

[90] Ivanovskii A.L. Search for superhard carbon: between graphite and diamond //Journal of Superhard Materials. - 2013. - V. 35. - №. 1. - P. 1-14.

[91] Korolev Y.M. New forms of crystalline carbon //Doklady Physics. -Nauka/Interperiodica, 2004. - V. 49. - №. 1. - P. 1-4.

[92] Amsler M., Flores-Livas J.A., Marques M.A. et al. Prediction of a novel monoclinic carbon allotrope //The European Physical Journal B. - 2013. - V. 86. -№. 9. - P. 383.

[93] Wang J.T. Energetics and kinetics of direct phase conversion from graphite to diamond //Science China Physics, Mechanics and Astronomy. - 2013. - V. 56. - №. 12. - P. 2266-2271.

[94] Li Q., Ma Y., Oganov A.R. et al. Superhard monoclinic polymorph of carbon //Physical review letters. - 2009. - V. 102. - №. 17. - P. 175506.

[95] He C., Zhong J. M585, a low energy superhard monoclinic carbon phase //Solid State Communications. - 2014. - V. 181. - P. 24-27.

[96] Mortazavi S.Z., Parvin P., Reyhani A. et al. Generation of various carbon nanostructures in water using IR/UV laser ablation //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2013. - V. 46. - №. 16. - P. 165303.

[97] Zhu Q., Oganov A.R., Salvado M.A. et al. Denser than diamond: ab initio search for superdense carbon allotropes //Physical Review B. - 2011. - V. 83. - №. 19. - P. 193410.

[98] Khorkov K.S., Abramov D.V., Kochuev D.A. et al. Formation Monocrystalline Carbon Micro-and Nanostructures Under Femtosecond Laser Irradiation of graphite in Liquid Nitrogen //Physics Procedia. - 2016. - Т. 83. - С. 182-187.

[99] Kanaya K., Okayama S. Penetration and energy-loss theory of electrons in solid targets //Journal of Physics D: Applied Physics. - 1972. - Т. 5. - №. 1. - С. 43.

[100] Хорьков К.С., Звягин М.Ю., Кочуев Д.А. и др. Модель подповерхностного перегрева при лазерном воздействии на углеродные образцы в жидком азоте //Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2017. - Т.81. - №12. - С. 1624-1629.

[101] Рау В.Г., Журавлев В.Г., Рау Т.Ф., Малеев А.В. Морфогенез кристаллических структур в методе дискретного моделирования упаковок //Кристаллография. - 2002. - Т. 47. - №. 5. - С. 793-796.

[102] Журавлев В. Г. Самоподобный рост периодических разбиений и графов //Алгебра и анализ. - 2001. - Т. 13. - №. 2. - С. 69-92.

[103] Малеев А.В. Модель послойного роста разбиений, упаковок и графов: монография / А.В. Малеев, А.В. Шутов. -Владимир: ВГГУ, 2011.-107 с.

[104] Хорьков К.С., Малеев А.В., Чкалов Р.В. и др. Исследование структур углеродных монокристаллов, полученных методом лазерного синтеза // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2018. - № 4. - C. 105-108.

[105] Ахманов С.А., Емельянов В.И., Коротеев Н.И., Семиногов В.Н. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика //Успехи физических наук. - 1985. - Т. 147. - №. 12. - С. 675.

[106] Bonse J., Hohm S., Kirner S.V. et al. Laser-induced periodic surface structures—a scientific evergreen //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2017. - Т. 23. - №. 3. - С. 109-123.

[107] Arakelian S., Kucherik A., Kutrovskaya S., Khorkov K. et al. Progress in the Design of New Photonics and Optoelectronics Elements Using Advantages of Contemporary Femto-Nanophotonics //Journal of Russian Laser Research. - 2016. -V.37. - №5. - P. 494-506.

[108] Belousov S., Bogdanova M., Deinega A et al. Using metallic photonic crystals as visible light sources //Physical Review B. - 2012. - V. 86. - №. 17. - P. 174201.

[109] Barmina E.V., Stratakis E., Barberoglou M. et al. Laser-assisted nanostructuring of Tungsten in liquid environment //Applied Surface Science. -2012. - V. 258. - №. 15. - P. 5898-5902.

[110] Elezovic N.R., Babic B.M., Gajic-Krstajic L. et al. Pt supported on nano-tungsten carbide as a beneficial catalyst for the oxygen reduction reaction in alkaline solution //Electrochimica acta. - 2012. - V. 69. - P. 239-246.

[111] Dong L., Jiao J., Coulter M., Love L. Catalytic growth of CdS nanobelts and nanowires on tungsten substrates //Chemical Physics Letters. - 2003. - V. 376. - №. 5-6. - P. 653-658.

[112] Solis J.L., Saukko S., Kish L. et al. Semiconductor gas sensors based on nanostructured tungsten oxide //Thin Solid Films. - 2001. - V. 391. - №. 2. - P. 255260.

[113] Rout C.S., Hegde M., Rao C.N.R. H2S sensors based on tungsten oxide nanostructures //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2008. - V. 128. - №. 2. - P. 488-493.

[114] Zhao Q.Z., Malzer S., Wang L.J. Self-organized tungsten nanospikes grown on subwavelength ripples induced by femtosecond laser pulses //Optics express. - 2007.

- V. 15. - №. 24. - P. 15741-15746.

[115] Bashir S., Rafique M.S., Nathala C.S. et al. Femtosecond laser fluence based nanostructuring of W and Mo in ethanol //Physica B: Condensed Matter. - 2017. - V. 513. - P. 48-57.

[116] Хорьков К.С., Абрамов Д.В., Кочуев Д.А. и др. Лазерное фемтосекундное наноструктурирование поверхности вольфрама //Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2017. - Т.81. - №12. - С. 1619-1623.

[117] Vorobyev A.Y., Makin V.S., Guo C. Periodic ordering of random surface nanostructures induced by femtosecond laser pulses on metals //Journal of Applied Physics. - 2007. - V. 101. - №.3. P.034903.

[118] Заведеев Е.В., Петровская А.В., Симакин А.В., Шафеев Г.А. Образование наноструктур при лазерной абляции серебра в жидкостях //Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36. - №.10. P. 978-980.

[119] Чекалин С. В., Кандидов В. П. От самофокусировки световых пучков - к филаментации лазерных импульсов //Успехи физических наук. - 2013. - Т. 183.

- №. 2. - С. 133-152.

[120] Ионин А.А., Кудряшов С.И., Макаров С.В. и др. Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2009. - Т. 90.

- №. 6. - С. 467-472.

[121] Кандидов В.П., Шленов С.А., Косарева О.Г. Филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения //Квантовая электроника. - 2009. - Т. 39.

- №. 3. - С. 205-228.

[122] Косарева О.Г., Панов Н.А., Кандидов В.П. Сценарий многофиламентации и генерации суперконтинуума мощного фемтосекундного лазерного импульса //Оптика атмосферы и океана. - 2005. - Т. 18. - №. 3. - С. 223-231.

[123] Yamada K., Watanabe W., Nishii J., Itoh K. Anisotropic refractive-index change in silica glass induced by self-trapped filament of linearly polarized

femtosecond laser pulses //Journal of applied physics. - 2003. - V. 93. - №. 4. - CP. 1889-1892.

[124] Yamada K., Watanabe W., Li Y. et al. Multilevel phase-type diffractive lenses in silica glass induced by filamentation of femtosecond laser pulses //Optics letters. -2004. - V. 29. - №. 16. - P. 1846-1848.

[125] 3Э-лазерные информационные технологии / Под ред. П.Е. Тверд охлеба. Новосибирск: Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 2003. С. 243.

[126] Liang F., Vallée R., Chin S.L. Mechanism of nanograting formation on the surface of fused silica //Optics express. - 2012. - V. 20. - №. 4. - P. 4389-4396.

[127] Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Маков С.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С. Формирование системы микрократеров на поверхности титана при воздействии фемтосекундным лазерным излучением в условиях быстрого охлаждения //Письма в Журнал технической физики. - 2013. - Т.39. - №16. - С. 14-22.

[128] Абрамов Д.В., Кочуев Д.А., Маков С.А., Прокошев В.Г., Хорьков К.С. Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана // Патент РФ № 2522919 опубл. 20.07.2014 Бюл. № 20

[129] Tarasenko N.V., Butsen A.V. Laser synthesis and modification of composite nanoparticles in liquids //Quantum Electronics. - 2010. - V. 40. - №. 11. - P. 986.

[130] Nibbering E.T.J., Grillon G., Franco M.A. et al. Determination of the inertial contribution to the nonlinear refractive index of air, N2, and O2 by use of unfocused high-intensity femtosecond laser pulses //JOSA B. - 1997. - V. 14. - №. 3. - P. 650660.

[131] Гуревич Я.Л., Горохов М.В., Захаров В.И. и др. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. С. 21.

[132] Пилипецкий Н.Ф., Рустамов А.Р. Наблюдение самофокусировки света в жидкостях //Письма в ЖЭТФ. - 1965. - Т. 2. - №. 2. - С. 88-90.

[133] Шленов С.А., Кандидов В.П. Формирование пучка филаментов при распространении фемтосекундного лазерного импульса в турбулентной атмосфере. Часть 1. Метод // Оптика атмосферы и океана.- 2004. - Т. 17. - № 8. - С. 630-636.

[134] Кандидов В.П., Косарева О.Г., Тамаров М.П. и др. Зарождение и блуждание филаментов при распространении мощного лазерного излучения в

турбулентной атмосфере // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 29. - №. 1. - С. 73-77.

[135] Chin S.L., Talebpour A., Yang J. et al. Filamentation of femtosecond laser pulses in turbulent air //Applied Physics B. - 2002. - V. 74. - №. 1. - P. 67-76.

[136] Хорьков К.С., Кочуев Д.А., Абрамов Д.В. и др. Динамика распределения интенсивности лазерного излучения при множественной филаментации в прозрачной среде //Динамика сложных систем — XXI век. - 2015. - Т.9. - №4. -С. 23-28.

[137] Kiselev D., Woeste L., Wolf J.P. Filament-induced laser machining (FILM) //Applied Physics B. - 2010. - V. 100. - №. 3. - P. 515-520.

[138] Tao H., Lin J., Hao Z. et al. Formation of strong light-trapping nano-and microscale structures on a spherical metal surface by femtosecond laser filament //Applied Physics Letters. - 2012. - V. 100. - №. 20. - P. 201111.

[139] Geints Y.E., Ionin A.A., Mokrousova D.V. et al. High intensive light channel formation in the post-filamentation region of ultrashort laser pulses in air //Journal of Optics. - 2016. - V. 18. - №. 9. - P. 095503.

[140] Абрамов Д.В., Хорьков К.С., Прокошев В.Г. Способ пробивки микроотверстий лазерным импульсным излучением // Патент РФ № 2492036 опубл. 10.09.2013 Бюл. № 25.

[141] Хорьков К.С., Кочуев Д.А., Черников А.С. и др. Обработка материалов в режиме множественной филаментации фемтосекундного лазерного излучения //Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2017. - Т.81. -№12. - С. 1630-1633.

Благодарности

В заключение автор диссертационной работы выражает огромную благодарность Прокошеву Валерию Григорьевичу за предложенную интересную тему исследований, постановку экспериментальных научных задач и обсуждение полученных результатов. Автор признателен Герке Мирон Николаевичу за обучение работе с лазерными фемтосекундными комплексами и Аракеляну Сергею Мартиросовичу за ценные советы. Также автор выражает благодарности Кочуеву Д.А. - за помощь в проведении экспериментов и полезные дисскуссии, Абрамову Д.В. - за исследование образцов на растровом электронном микроскопе, Чкалову Р.В. - за помощь в реализации программного обеспечения, Звягину М.Ю. - за помощь с расчетами. Также автор благодарен студентам и аспирантам кафедры физики и прикладной математике ВлГУ за помощь в проведении экспериментов и обсуждение полученных результатов. Отдельную благодарность автор выражает своим родителям, жене и детям за их понимание и поддержку.