[PDF]      http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.51302

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 51, 248–259 (2011)


GENERATION OF METAL NANOPARTICLES BY LASER ABLATION
V. Dudoitis, V. Ulevičius, G. Račiukaitis, N. Špirkauskaitė, and K. Plauškaitė
State Research Institute Center for Physical Sciences and Technology, Savanorių 231, LT-02300 Vilnius, Lithuania
E-mail: ulevicv@ktl.mii.lt

Received 2 June 2011; revised 11 July 2011; accepted 21 September 2011

The process of nanoparticle generation during nanosecond and picosecond laser ablation of various metals (Ni, Al, W, and stainless steel) in ambient air and argon gas was investigated. The number concentration of nanoparticles generated by laser ablation in argon gas was up to 100 times higher compared to that in ambient air. Three stable separate size peaks of nucleation, Aitken, and accumulation modes of nanoparticles were observed in case of argon gas, while in ambient air particles of a wide size spectrum (8–200 nm) were generated. The natural precursors in ambient air can have an effect on the size spectrum of particles composed of various chemical compounds with target material during the ablation process. The influence of laser process parameters and properties of investigated metals on the number concentration and size distribution of nanoparticles generated during ns- and ps-laser ablation was observed.
Keywords: nanoparticles, nanosecond and picosecond laser ablation, metals, size distribution, number concentration, ambient air, argon gas
PACS: 52.38.Mf, 78.70.-g, 81.10.St


METALŲ NANODALELIŲ GENERAVIMAS LAZERINE ABLIACIJA
V. Dudoitis, V. Ulevičius, G. Račiukaitis, N. Špirkauskaitė, K. Plauškaitė
Valstybinis mokslinių tyrimų institutas Fizinių ir technologijos mokslų centras, Vilnius, Lietuva

Lazerinė abliacija, kaip efektyvus ir spartus įvairių medžiagų smulkių struktūrų formavimo būdas, pastaruoju metu vis sėkmingiau įsitvirtina nanodarinių gamyboje. Metalai yra vieni iš tinkamiausių medžiagų mikrosistemoms gaminti. Norint formuoti tikslias mikrosistemas turi būti atliekami generuojamų nanodalelių dydžių spektro bei koncentracijos eksperimentiniai tyrimai. Darbe nagrinėti nikelio, aliuminio, nerūdijančio plieno ir volframo nanodalelių generavimo procesai, taikant nanosekundinės ir pikosekundinės trukmės impulsų lazerius. Nustatyta, kad generuojamų visų tirtų metalų nanodalelių dydžių spektras ir skaitinė koncentracija, vykstant lazerinei abliacijai oro ar argono dujų aplinkoje, ženkliai skiriasi. Vykstant lazerinei abliacijai ore generuojamos nanodalelių (1–12)·104 cm−3 koncentracijos bei 8–200 nm dydžių platus spektras su nukleacinės ir akumuliacinės modų nedidelėmis smailėmis. Manome, kad atskiru˛ dydžių generuojamų nanodalelių spektrui įtakos turėjo oro sudėties komponentės, kurios abliacijos proceso metu dalyvavo cheminių junginių susidaryme (pvz., FeO, NiO, Al2O3). Lazerinės abliacijos ore atveju argono dujų aplinkoje generuojamos metalų nanodalelių (0,1–1,9)·106 cm−3 koncentracijos su gerai besiformuojančiu nukleacinės, Aitkeno ir akumuliacinės modų spektru. Stebėta lazerinės abliacijos parametrų ir metalų savybių įtaka generuojamų nanodalelių skaitinei koncentracijai bei dalelių dydžių pasiskirstymo spektre poslinkiui. Mažiausios nanodalelės (~8 nm) generuotos abliuojant nikelį pikosekundinės trukmės impulso lazeriu argono dujų aplinkoje. Manome, kad registruotos pirminės nikelio dalelės galėjo būti generuojamos susidarius plazmai lazerinės spinduliuotės ir metalo sąveikos zonoje. Nerūdijančio plieno, nikelio ir aliuminio nanodalelių (10–200 nm) generavimo procesas intensyviausiai vyko abliuojant metalus nanosekundinės trukmės impulso lazeriu argono dujose.

References / Nuorodos

[1] J.J. Gonzalez, C. Liu, S.-B. Wen, X. Mao, and R.E. Russo, Metal particles produced by laser ablation for ICP–MS measurements, Talanta 73(3), 567–576 (2007),
http://dx.doi.org/10.1016/j.talanta.2007.04.029
[2] S.-B. Wen, X. Mao, R. Greif, and R.E. Russo, Experimental and theoretical studies of particle generation after laser ablation of copper with a background gas at atmospheric pressure, J. Appl. Phys. 101, 123105 (2007),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2748635
[3] S. Barcikowski, A. Hahn, A.V. Kabashin, and B.N. Chichkov, Properties of nanoparticles generated during femtosecond laser machining in air and water, Appl. Phys. A 87, 47–55 (2007),
http://dx.doi.org/10.1007/s00339-006-3852-1
[4] D. Breitling, A. Ruf, and F. Dausinger, Fundamental aspects in machining of metals with short and ultrashort laser pulses, Proc. SPIE 5339, 49 (2004),
http://dx.doi.org/10.1117/12.541434
[5] B. Liu, Z. Hu, Y. Che, Y. Chen, and X. Pan, Nanoparticle generation in ultrafast pulsed laser ablation of nickel, Appl. Phys. Lett. 90, 044103 (2007),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2434168
[6] M.-H. Tsai, S.-Y. Chen, and P. Shen, Laser ablation condensation of TiO2 particles: Effects of laser energy, oxygen flow rate and phase transformation, J. Aerosol Sci. 36, 13–25 (2005),
http://dx.doi.org/10.1016/j.jaerosci.2004.08.007
[7] D.-W. Lee and M.-D. Cheng, Particle generation by laser ablation during surface decontamination, J. Aerosol Sci. 35, 1527–1540 (2004),
http://dx.doi.org/10.1016/j.jaerosci.2004.07.007
[8] S. Barcikowski, A. Hahn, and B.N. Chichkov, Nanoparticles as potential risk during femtosecond laser ablation, J. Laser Appl. 19(2), 65–73 (2007),
http://dx.doi.org/10.2351/1.2402526
[9] N. Morris, The fine art of micromachining, ElectroOptics.com (2006),
http://electrooptics.com/features/aprmay06/aprmay06micromachines.html
[10] M. Brikas, Micromachining of silicon and metals with high repetition rate picosecond laser, PhD thesis, Vilnius University and Institute of Physics, Center for Physical Sciences and Technology, Vilnius (2011) [in Lithuanian]
[11] T.V. Kononenko, V.I. Konov, S.V. Garnov, R. Danielius, A. Piskarskas, G. Tamoshauskas, and F. Dausinger, Comparative study of the ablation of materials by femtosecond and pico- or nanosecond laser pulses, Quantum Electron. 29(8), 724–728 (1999),
http://dx.doi.org/10.1070/QE1999v029n08ABEH001560
[12] N.B. Dahotre and S.P. Harimkar, Laser Fabrication and Machining of Materials (Springer Science, 2008) pp. 34–65,
http://www.springer.com/engineering/production+engineering/book/978-0-387-72343-3
[13] B.N. Chichkov, C. Momma, S. Nolte, F. von Alvensleben, and A. Tünnermann, Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids, Appl. Phys. A 63(2), 109–115 (1996),
http://dx.doi.org/10.1007/s003390050359
[14] K. Plauškaitė, V. Ulevicius, N. Špirkauskaitė, S. Byčenkienė, T. Zieliński, T. Petelski, and A. Ponczkowska, Observations of new particle formation events in the south-eastern Baltic Sea, Oceanologia 52(1), 53–75 (2010),
http://dx.doi.org/10.5697/oc.52-1.053
[15] G. Mordas, M. Kulmala, T. Petäjä, P.P. Aalto, V. Matulevičius, V. Grigoraitis, V. Ulevičius, V. Grauslys, A. Ukkonen, and K. Hämeri, Design and performance characteristics of a condensation particle counter UF-02proto, Boreal Env. Res. 10, 543–552 (2005),
http://www.borenv.net/BER/pdfs/ber10/ber10-543.pdf
[16] W. Haaf and R. Jaenicke, Results of improved size distribution measurements in the Aitken range of atmospheric aerosols, J. Aerosol Sci. 11(3), 321–330 (1980),
http://dx.doi.org/10.1016/0021-8502(80)90106-8
[17] http://www.distfit.com/Front/DistFit/DistFit_Brochure.pdf
[18] E.G. Gamaly, N.R. Madsen, M. Duering, A.V. Rode, V.Z. Kolev, and B. Luther-Davies, Ablation of metals with picosecond laser pulses: Evidence of long-lived nonequilibrium conditions at the surface, Phys. Rev. B 71, 174405 (2005),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.71.174405
[19] J. König, S. Nolte, and A. Tünnermann, Plasma evolution during metal ablation with ultrashot laser pulses, Opt. Express 13(26), 10597 (2005),
http://dx.doi.org/10.1364/OPEX.13.010597
[20] A. Hahn, S. Barcikowski, and B.N. Chichkov, Influences on nanoparticle production during pulsed laser ablation, J. Laser Micro Nanoeng. 3(2), 73–77 (2008),
http://dx.doi.org/10.2961/jlmn.2008.02.0003
[21] M.S. Tillack, D.W. Blair, and S.S. Harilal, The effect of ionization on cluster formation in laser ablation plumes, Nanotechnol. 15, 390–403 (2004),
http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/15/3/028
[22] M. Holá, V. Konečná, P. Mikuška, J. Kaiser, and V. Kanický, Influence of physical properties and chemical composition of sample on formation of aerosol particles generated by nanosecond laser ablation at 213 nm, Spectrochim. Acta Part B 65(1), 51–60 (2010),
http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2009.11.003