Signal (arb.units)

(1)

Ekspansja plazmy i wp

Ekspansja plazmy i wp ł ł yw atmosfery yw atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich reaktywnej na osadzanie cienkich

warstw

warstw hydroksyapatytu hydroksyapatytu . .

Marcin Jedyński

(2)

Metoda PLD (Pulsed Laser Deposition)

PLD jest nowoczesną metodą inżynierii powierzchni, umożliwiającą osadzanie cienkich warstw, po raz pierwszy wykorzystaną do

nakładania hydroksyapatytu w połowie lat 90-tych.

Zachodzi w trzech etapach:

•Oddziaływanie impulsu laserowego z materiałem nanoszonym, skutkujące jego gwałtownym odparowaniem.

•Częściowa jonizacja powstałego obłoku, ekspansja w kierunku podkładu.

•Osadzanie na materiale podkładu.

(3)

Zalety metody PLD

•Możliwość wytwarzania powłok o składzie stechiometrycznym materiału nanoszonego.

•Można nakładać warstwy metaliczne, półprzewodnikowe, dielektryczne.

•Precyzyjna kontrola grubości warstwy.

•Możliwość automatyzacji procesu.

(4)

Hydroxyapatyt ( Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ ) jest materiałem bioceramicznym

wykazującym chemiczne i mineralogiczne podobieństwo do komponentu nieorganicznego kości. Odznacza się dużą biozgodnością w stosunku do tkanek.

Stosuje się go jako pokrycia ortopedycznych implantów ze stopu tytanu.

(5)

Cel eksperymentu:

•Badanie wpływu obecności gazu otaczającego i jego ciśnienia na charakter rozlotu obłoku plazmy.

•Analiza obecności pary wodnej na jakość osadzanej warstwy hydroksyapatytu.

(6)

Schemat układu eksperymentalnego

(7)

Profile natężenia linii spektralnych w funkcji czasu

∫

= _ki _ki ^L _k

ki A h n l dl

I

0

) 4 (

1

ν

π

Natężenie linii Ca II 393.366 nm w funkcji czasu.

Brak obecności pary wodnej. Ciśnienie 10 Pa.

Natężenie impulsu laserowego 2.5*10⁸ W/cm². Impuls laserowy i promieniowanie plazmy

przy tarczy.

2000 3000 4000 5000

Time (nanoseconds) 0.0

0.4 0.8 1.2

Intensity (Arb. units)

Target x=0

9.2 mm

16.5 mm

Ca II 3933.66 line

Laser

0 200 400 600

0.002 0.004 0.006

Signal (arb.units)

laser pulse plasma radiation

(8)

Natężenie linii Ca II 393.366 nm w funkcji czasu w obecności pary wodnej pod ciśnieniem 40 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.5*10⁸ W/cm².

0 2000 4000

0.002 0.004 0.006

Intensity (arb. units)

x = 0

1000 2000 3000 4000

0.02 0.04

x = 3.67 mm

1000 2000 3000 4000

0.01 0.02 0.03 0.04

x = 7.34 mm

1000 2000 3000 4000

0.004 0.008

x = 11.01 mm

1000 2000 3000 4000

0.004 0.008 0.012

x = 14.68 mm

(9)

Natężenie linii Ca II 393.366 nm w funkcji czasu w obecności pary wodnej pod ciśnieniem 46 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.2*10⁸ W/cm².

2000 3000 4000 5000

Time (nanoseconds)

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08

x=7.47 mm

2000 3000 4000 5000 6000

0.02 0.04 0.06 0.08

x=10.72 mm

2000 3000 4000 5000

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Intensity (Arb. Units)

x=4.22 mm

2000 3000 4000 5000 6000

0.02 0.04 0.06 0.08

x=13.97 mm

(10)

Natężenie linii Ca I 422.67 nm w funkcji czasu w obecności pary wodnej pod ciśnieniem 46 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.2*10⁸ W/cm².

2000 3000 4000 5000 6000

Time (nanosec) 0.00

0.00 0.01

Intensity (arb.units)

4227 line 0 mm 3.25 mm 6.5 mm 9.75 mm 13 mm 16.25 mm

(11)

Obrazy obłoku plazmy na linii 422,67 nm.

Opóźnienie względem impulsu lasera.

50 ns 800 ns 1500 ns

p=0,008 Pa

p=10 Pa

Czas ekspozycji 18 ns.

(12)

Obrazy obłoku plazmy zarejestrowanego bez użycia filtru.

p=10^-2 Pa, bez pary wodnej.

(13)

Obrazy obłoku plazmy zarejestrowanego bez użycia filtru.

p=30 Pa, komora wypełniona parą wodną.

(14)

Prędkość atomów wapnia w funkcji odległości od tarczy.

0 5 10 15 20 25

Distance from the target [mm]

0 10000 20000 30000 40000 50000

Velocity [m/s]

Water vapour, p=46 Pa Air, p=10 Pa

Air, p=0.009 Pa

(15)

Prędkość frontu atomów wapnia 422.67 nm.

0 1000 2000 3000

Time (nanoseconds) 0

10000 20000 30000 40000

Velocity (m/s)

water vapour 35 Pa air 10 Pa

air 0.008 Pa

(16)

Gęstości elektronów

Gęstość elektronów liczona z poszerzenia starkowskiego scałkowanych po czasie i grubości obłoku plazmy linii 518,884 nm (Ca I) dla p=0,008 Pa, 551,298 nm, 504,162 nm, 671,768 nm dla p=10 Pa.

0.0 1.0 2.0 3.0

Distance from the target (cm) 1E+16

1E+17 1E+18

Ne (cm-3)

p=0.008 Pa p=10 Pa

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Wavelength (Arb.Units) 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Intensity (Arb.Units)

Full Width at Half Maximum

N

e 2

~

/

λ

1

∆

(17)

Temperatura elektronów

) 4388

. 1 exp(

10

* 83 . )4 (

)

( ₁₅ ₂³ ₁ ₁

1

1 T T

T U

T n U

n

n _z _z

z z e

z

z − −

−

∆

− −

= χ χ

Równanie Saha:

∑

⁻

=

k

k kT

g E T

U( ) exp( ) )

)exp(

( kT

E T

U g n

n_k _k _k

−

Równanie Boltzmanna: =

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −∆

−

= T

E E

T T g

A g n A

I

I âtom âtom _kâtom _k^jon

atom k atom ki atom ki

jon k jon ki jon ki atom e

ki jon

ki 4.83*10 ²exp 1.4388 exp 1.4388

3

15 χ χ

ν ν

4000 8000 12000 16000 20000

Temperatura 1.0E+10

1.0E+11 1.0E+12 1.0E+13 1.0E+14 1.0E+15 1.0E+16 1.0E+17 1.0E+18 1.0E+19 1.0E+20 1.0E+21

I(Ca II 3933)/I(Ca I 4227)*Ne(cm-3)

I(3933.66 Ca II)/I(4226.7 Ca I) * Ne

(18)

Temperatura elektronów dla p=10 Pa.

0.0 1.0 2.0 3.0

Distance from the target (cm)

0 10000 20000 30000

Temperature (K)

expected trend

(19)

Mikroskopia sił atomowych.

Umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań

międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad powierzchnią próbki i mierzenia jego odchyleń w pionie. Odchylenie umożliwia wyznaczenie siły oddziaływania

międzyatomowego pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni. Mapa sił dla każdego punktu powierzchni próbki jest przetwarzana komputerowo na obraz.

(20)

Topografia osadzonych w różnych warunkach warstw hydroksyapatytu.

Obrazy wykonane mikroskopem sił atomowych. Temperatura podkładu 650 K.

para wodna p=35 Pa.

powietrze p=10^-2 Pa.

(21)

Wyniki badań dyfraktometrem rentgenowskim.

Para wodna p=30 Pa

0 500 1000 1500 2000 2500

20 30 40 50 60 70 80

2 theta

Intensywność

Powietrze p=30 Pa (dodatek tlenu)

0 500 1000 1500 2000 2500

20 30 40 50 60 70 80

2 theta

Intensity

0 500 1000 1500 2000 2500

20 30 40 50 60 70 80

2 theta

Intensywność

Powietrze p=30 Pa

(22)

Podsumowanie

•Przy ciśnieniu powyżej 10 Pa obłok jest wyraźnie spiętrzany przez gaz otaczający

•Prędkość obłoku; powietrze 10 Pa

:

^2.5

×

¹⁰⁴ ^{– 0.78}

×

¹⁰⁴ ^{m/s w}

odległości 2.6-18 mm od tarczy. para wodna 46 Pa: 1.2 – 0.25 ×10⁴ m/s w tych samych odległościach.

•Pojawiają się dwie grupy cząstek o różnych prędkościach

•Gęstość elektronów przy tarczy 3×10¹⁷ cm^-3 maleje do wartości 2×10¹⁶ cm^-3 2.5 cm od tarczy.

•Temperatura elektronów maleje od 20-30 kK przy tarczy do ok. 5 kK 2.5 cm od tarczy.

•Hydroksyapatyt osadzany w fazie polikrystalicznej wymaga obecności pary wodnej przy ciśnieniu 35-40 Pa jako gazu otaczającego.