高功率激光技術(shù)論文(2)
高功率激光技術(shù)論文
高功率激光技術(shù)論文篇二
高功率激光電離垂直飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用于薄層的快速深度分析
摘要：高功率激光電離垂直飛行時(shí)間質(zhì)譜(LIOTOFMS)應(yīng)用于薄層的深度分析是目前一項(xiàng)相對新穎的分析技術(shù)，不僅可以分析薄層的厚度，而且可以同時(shí)確定其中的元素組成及其隨深度的分布情況。激光參數(shù)：波長532 nm， 脈寬4.5 ns， 功率密度9×109 W/cm2。該項(xiàng)分析技術(shù)可以分析單鍍層和多鍍層的薄層樣品。薄層的分辨厚度范圍達(dá)到微米水平。相比其它薄層分析技術(shù)， LIOTOFMS是一項(xiàng)多功能的深度分析工具。
關(guān)鍵詞：激光電離; 飛行時(shí)間質(zhì)譜; 薄層; 深度分析
1引言
隨著材料科學(xué)和表面科學(xué)的發(fā)展，鍍層和涂層的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍。利用表面處理技術(shù)在產(chǎn)品表面覆蓋一層或多層的物質(zhì)，不僅可以使產(chǎn)品擁有美麗的外觀，而且能提高其防護(hù)性能。該技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)從日常生活擴(kuò)展到科學(xué)上精密儀器研制等領(lǐng)域。大多情況下，薄層材料的性能與鍍層的厚度、組成及鍍層元素的深度分布密切相關(guān)[1]。因此對薄層的深度分析至關(guān)重要。
目前，應(yīng)用于薄層的深度分析技術(shù)中，代表性的有二次離子質(zhì)譜(SIMS)[2]，俄歇電子能譜(AES)[3]，X射線熒光光譜(XRF)[4]，輝光放電光譜(GDOES)和質(zhì)譜(GDMS)[2，5]。
然而，對于一項(xiàng)分析技術(shù)的評價(jià)涉及到樣品的分析時(shí)間、結(jié)果的可靠性及其應(yīng)用領(lǐng)域[6]。在這些分析技術(shù)中，它們的局限性和優(yōu)越性是共存的。二次離子質(zhì)譜技術(shù)(SIMS)非常適合低濃度的薄層分析，但分析耗時(shí)而且基體效應(yīng)嚴(yán)重[2]。俄歇電子能譜(AES)雖然可以很好的分析多層樣品但是靈敏度較差[3]。X射線熒光光譜(XRF)雖然可以對樣品非破壞分析但對于低質(zhì)量數(shù)的元素分析卻無能為力[4]。輝光放電光譜(GDOES)和質(zhì)譜(GDMS)有能力快速分析有著較大厚度范圍的鍍層，然而，對樣品形狀及尺寸的苛刻要求限制了其普遍適用性[2，7，8]。
近年來，激光采樣技術(shù)以其直接對固體進(jìn)行微量取樣而備受關(guān)注，這項(xiàng)微采樣技術(shù)極大地減小了采樣過程對樣品表面的破壞;而且該技術(shù)放寬了對樣品的尺寸和形狀的要求。當(dāng)前，這項(xiàng)取樣技術(shù)已經(jīng)與多種不同的技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于薄層的深度分析中，代表的有激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)和激光濺射電感耦合質(zhì)譜(LAICPMS)。但基體效應(yīng)和分餾效應(yīng)是它們面臨的主要瓶頸問題[7， 9～11]。
高功率激光電離源連接到飛行時(shí)間質(zhì)譜并應(yīng)用于薄層的深度分析目前是一項(xiàng)極具前景的分析技術(shù)。首先，作為濺射和電離源的激光功率密度通常比LAICPMS和LIBS高出一個(gè)數(shù)量級，根據(jù)本課題組之前的研究，可以有效地減少基體效應(yīng) [12]。其次，高功率激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(LIOTOFMS)的分析對象可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體及非導(dǎo)體材料，極大地拓寬了分析領(lǐng)域;而且該技術(shù)具有較高的靈敏度和較低的檢出限。此外，其分析速度非?？欤粋€(gè)樣品耗時(shí)僅需數(shù)十秒。因此，這項(xiàng)分析技術(shù)較大程度上克服了其它薄層分析技術(shù)的不足(基體效應(yīng)嚴(yán)重、橫向分辨率較差、譜線干擾嚴(yán)重、靈敏度較低和分析耗時(shí)等)，同時(shí)還提供了豐富的信息，比如，鍍層厚度的確定，多元素的同時(shí)檢測、無標(biāo)樣時(shí)也可以對組成進(jìn)行半定量快速分析，對于該項(xiàng)技術(shù)在不需要標(biāo)樣時(shí)也可對固體樣品的組成進(jìn)行半定量分析[13]。甚至對于組成復(fù)雜的薄層樣品也可實(shí)現(xiàn)很好的分析，這是目前很多其它相關(guān)分析技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)就是基于前期的研究基礎(chǔ)上將該技術(shù)應(yīng)用拓展到薄層樣品的深度分析中，不僅揭示出薄層的厚度，而且可同時(shí)確定其中的組成及元素的同位素分布，由此驗(yàn)證了LIOTOFMS在深度分析中是一項(xiàng)多功能的技術(shù)。
2實(shí)驗(yàn)部分
2.1儀器部分
3結(jié)果與討論
3.1參數(shù)優(yōu)化
激光聚焦到樣品表面，樣品發(fā)生熔化，蒸發(fā)和離子化。在深度分析中，激光重復(fù)作用在樣品表面一個(gè)固定的位置，樣品材料的濺射從表面逐漸延續(xù)到基底。激光的功率密度是一個(gè)影響材料的剝蝕速率的至關(guān)重要的因素[15]，激光濺射速率隨著激光功率密度的增加而增大，所以，為了減少熱擴(kuò)散，弱化來自相鄰的鍍層的干擾，減少單個(gè)脈沖的質(zhì)量剝蝕和提高深度分辨率，實(shí)驗(yàn)應(yīng)降低激光功率密度[16]，但是功率密度過低又會(huì)降低離子化效率和引起信號的不穩(wěn)定，所以綜合評價(jià)0.2～1.2 mJ/pulse，實(shí)驗(yàn)選擇0.5 mJ/pulse(RSD=1.5%)作為激光能量，其對應(yīng)的激光功率密度是9×109 W/cm2(燒蝕斑直徑40 μm)，這比分析合金元素的典型的激光功率密度稍小[17]。
眾所周知，激光脈沖的能量是根據(jù)高斯分布的，所以為了獲得更加均一的濺射，引入光闌切除激光束邊緣低能量部分和減少彈坑邊緣的熱效應(yīng)[10]。實(shí)驗(yàn)采用6 mm的光闌，而激光束直徑大約8 mm。激光束通過光闌后又經(jīng)過透鏡于樣品表面濺射出直徑約40 μm的凹坑。雖然透鏡(LMU3X，OFR division of Thorlabs)可以聚焦到直徑小于10 μm的斑點(diǎn)，但是較大的斑點(diǎn)可以相對減少凹坑壁上的覆蓋層，使得每一層的信號更加清晰。
深度分析中，激光脈沖頻率是另一個(gè)重要的影響因素。為了保證在后續(xù)的脈沖作用之前濺射出來的熔融材料有足夠的時(shí)間重新凝固在凹坑的壁上，從而有效地保持單個(gè)脈沖的作用和避免來自相繼脈沖的信號干擾，即為了使兩個(gè)相鄰的脈沖之間的時(shí)間間隔大于懸浮顆粒在凹坑的停留時(shí)間，所用的激光脈沖的頻率要足夠低。實(shí)驗(yàn)采用2 Hz激光頻率不僅保證實(shí)驗(yàn)的需要而且有效節(jié)約分析時(shí)間。
LIOTOFMS分析中，激光濺射和電離發(fā)生在低真空的氦氣氛圍中，與在空氣或氬氣氛圍中相比，氦氣氛圍有利于形成更小體積沉積材料[10， 18]。若氣壓過低，離子的動(dòng)能分布會(huì)很大，這樣不利于提高譜圖的分辨率。經(jīng)過一系列梯度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)500 Pa是最佳的氣壓。
本研究利用高功率激光電離垂直飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)(LIOTOFMS)系統(tǒng)分析了單鍍層和多鍍層薄層樣品，這是一種快速的薄層深度分析工具，一個(gè)樣品分析只需數(shù)十秒，這對于大批量樣品的快速分析成為一種可能。不過，目前使用的高功率激光電離垂直飛行時(shí)間質(zhì)譜在薄層分析中的深度分辨率僅局限于微米水平，為了進(jìn)一步提高深度分辨率，有待于超短(ps或fs)的脈沖激光器的應(yīng)用。
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