Основные достижения.

• Разработан лазерный метод сверхточного микроструктурирования поверхности алмазных пластин. Впервые поставлена и решена задача синтеза алмазных дифракционных оптических элементов (линзы, фокусаторы) для управления пучками мощных технологических СО2 лазеров.

Лазерно-стимулированные процессы в монокристаллическом алмазе: объемная модификация, вынужденное комбинационное рассеяние, фазовые переходы, генерация оптических центров при воздействии пикосекундных лазерных импульсов.

• Проведены исследования объемной модификации и микроструктурирования монокристаллического алмаза типа IIa (концентрация примеси азота менее 1 ppm) при облучении пикосекундными лазерными импульсами видимого и УФ диапазона [1-3].
• Установлено влияние кристаллографической ориентации кристалла на (1) пороги оптического пробоя, (2) характер объёмных модификаций и (3) генерацию вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в алмазе при воздействии пикосекундных импульсов различной длительности [1]. На основе анализа зависимости геометрических размеров сформированных микроструктур от энергии/интенсивности лазерного импульса показано, что основным механизмом, управляющим процессами оптического пробоя и роста графитизированной микроструктуры в объёме алмаза, является механизм диэлектрического пробоя. Обнаружено, что генерация ВКР в алмазе сильно влияет на порог лазерно-индуцированного пробоя и объёмного микроструктурирования.
• С использованием методов спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и фотолюминесценции (ФЛ) обнаружено появление новых углеродных фаз при объемной модификации и создании микроструктур в алмазе. В КР спектрах лазерно-модифицированного алмаза обнаружены новые «неидентифицируемые» колебательные моды в диапазоне частот 1000-1400 cм-1 [2,3]. Эти моды наблюдаются в спектрах областей, характеризующихся высокими внутренними напряжениями и расположенных в непосредственной близости вокруг сформированных микроструктур в объёме кристалла, и при отсутствии G-полосы на ~1580 cм-1, х арактерной для sp2–фазы. Сопоставление полученных спектров с литературными (теоретическими) данными для различных аллотропных модификаций sp3-связанного углерода позволило предположить, что появление новых мод в КР спектрах лазерно-модифицированного алмаза связано с образованием субмикронных областей со структурой, характерной для двух sp3-фаз углерода таких как Z-углерод и гексагональный алмаз [2].
• Используя метод лазерно-стимулированной люминесценции в режиме «онлайн» обнаружено усиление NV люминесценции после формирования объёмных графитизированных микроструктур в алмазных кристаллах типа IIa [3]. Результаты исследований микрообластей вблизи объёмных микроструктур методами спектроскопии КР и ФЛ в конфокальном режиме также свидетельствуют об усилении интегральной интенсивности NV0+NV люминесценции и расщеплении линии NV люминесценции. Увеличение концентрации NV дефектов в процессе объёмной модификации алмаза ультракороткими импульсами коррелирует с формированием новых sp3-углеродных фаз и других дефектов, обнаруженных в КР и ФЛ спектрах областей, характеризовавшихся высокими внутренними напряжениями и расположенных в непосредственной близости вокруг сформированных графитизированных микроструктур в объёме кристалла [3].

  1.  S.M. Pimenov, B. Neuenschwander, B. Jggi, V. Romano, Effect of crystal orientation on picosecond-laser bulk microstructuring and Raman lasing in diamond, Appl Phys A (2014) 114:1309–1319.
  2.   S.M. Pimenov, A.A. Khomich, I.I. Vlasov, E.V. Zavedeev, A.V. Khomich, B. Neuenschwander, B. Jggi, V. Romano, Metastable carbon allotropes in picosecond-laser-modified diamond, Appl. Phys. A (2014) 116:545–554.
  3.   S.M. Pimenov, A.A. Khomich, B. Neuenschwander, B. Jaeggi, V. Romano, Picosecond-laser bulk modification induced enhancement of NV luminescence in diamond, J. Opt. Soc. Am. B Vol. 33, Issue 3, B49-B55 (2016).

• Исследовано движение фронта графитизации в алмазе под действием импульсно-периодического облучения ультракороткими лазерными импульсами (0.14-5 пс). Получена зависимость скорости движения фронта графитизации от локальной плотности энергии для различных кристаллографических осей (100 и 110). Предложена комплексная модель квазинепрерывного распространения зоны графитизации при лазерном облучении, включающая тепло-индуцированный автокаталитический процесс фазового перехода алмаз-графит и низкопороговый лазерный пробой на наведенных дефектах [1]. Разработан математический метод и создано программное обеспечение, позволяющее определять зависимость медианной скорости роста графитового трека от плотности энергии с помощью обработки видеозаписей роста графитовых треков при многоимпульсном облучении объема алмаза.
• Методами сканирующей электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии исследовано поперечное сечение лазерно-модифицированной области в монокристалле алмаза, созданной импульсно-периодическим облучением ультракороткими лазерными импульсами (140 фс). Установлено, что графит локализуется в виде нанопластин различной пространственной ориентации, образующих единую проводящую микроструктуру [2]. Среднее содержание графита в лазерно-модифицированной области оценено на уровне 16 об.%. Показано, что такая структура модифицированного материала хорошо согласуется с предложенной ранее моделью лазерной графитизации алмаза внутри микротрещин.

  1.  T. V. Kononenko, E. V. Zavedeev, V. V. Kononenko, K. K. Ashikkalieva,V. I. Konov, Graphitization wave in diamond bulk induced by ultrashort laser pulses, Appl. Phys. A 119, 405-414 (2015).
  2.  K. K. Ashikkalieva, T.V. Kononenko, E.A. Obraztsova, E.V. Zavedeev, A.A. Khomich, E.E. Ashkinazi V.I. Konov. Direct observation of graphenic nanostructures inside femtosecond-laser modified diamond. Carbon V.120, 2016, pp.383-389.

• Проведены экспериментальные исследования фотоокисления поверхности алмаза при воздействии фемтосекундными (фс) лазерными импульсами, которые возбуждают высокие концентрации свободных носителей (> 10 22 см-3) оставляя при этом решетку холодной. Анализ результатов показал, что при фс лазерном облучении скорость удаления углеродных частиц пропорциональна квадрату плотности возбужденной в объеме электронной плазмы, в отличие от наносекундных импульсов, когда скорость травления прямо пропорциональна плотности плазмы [1]. Проведенные эксперименты показали возможность прецизионного лазерного травления поверхности алмаза со сверхмалыми скоростями – 10-7 нм/импульс.
• Реализован новый метод локального формирования азотно-вакансионных комплексов в решетке алмаза с помощью фемтосекундного лазерного воздействия [2]. Предложенный подход заключается в относительно длительном и «мягком» облучении кристалла в наноабляционном режиме, который характеризуется отсутствием графитизации и сверхмедленным травлением поверхности (< 10-3 нм/импульс).

  1.  V. V. Kononenko, V. M. Gololobov, M. S. Komlenok, and V. I. Konov, “Nonlinear photooxidation of diamond surface exposed to femtosecond laser pulses,” Laser Physics Letters 12, 096101 (2015).
  2.  V. V. Kononenko, I. I. Vlasov, V. M. Gololobov, T. V. Kononenko, T. A. Semenov, A. A. Khomich, V. A. Shershulin, V. S. Krivobok, and V. I. Konov, “Nitrogen-vacancy defects in diamond produced by femtosecond laser nanoablation technique,” Appl. Phys. Lett. 111 (8), p. 081101 (2017).

• Составная преломляющая линза (СПЛ) для микрофокусировки мощных рентгеновских лучей представляет собой пластину, имеющую ряд отверстий, образованных двумя параболами, см. Рис.1. Нами впервые изготовлены СПЛ из синтетического поликристаллического алмаза (длина пластины - 8.5 мм, толщина - 0.6 мм) с помощью прецизионной резки алмаза фемтосекундными импульсами (400 фс, 200 кГц) [1]. Высокое качество созданной линзы определяется малым отклонением стенки реза от вертикали (<1.5 o) и субмикронной шероховатостью стенок (Ra~0.3 мкм). Проведено предварительное тестирование линз с помощью лабораторного рентгеновского источника с энергией кванта 9.25 эВ.

  1.  T.V. Kononenko, V.G.Ralchenko, E.E. Ashkinazi, M.Polikarpov, P.Ershov, S.Kuznetsov, V.Yunkin, I.Snigireva, V.I. Konov, Fabrication of polycrystalline diamond refractive X-ray lens by femtosecond laser processing, Appl. Phys. A (2016) 122:152

• Проведены исследования лазерной модификации и микроструктурирования поверхности аморфных углеродных пленок при воздействии наносекундных импульсов УФ излучения, структуры и фрикционных свойств лазерно-модифицированных пленок на нано и микроуровне [1,2]. Определены основные закономерности влияния лазерной модификации поверхности на микрофрикционные свойства пленок тетраэдрически связанного углерода (ta-C), гидрогенизированных a-C:H пленок и нанокомпозитных a-C:H,Si:O покрытий. С помощью метода сканирующей фрикционной микроскопии определена роль поверхностной графитизации, обеспечивающей наличие твердосмазочного «графитового» слоя на поверхности трения, в уменьшении фрикционных сил на лазерно-графитизированных участках ta-C и a-C:H пленок. Для нанокомпозитных пленок установлено, что эффекты графитизации, окисления и микроотслаивания оказывают различное влияние на микрофрикционные свойства поверхности после лазерного воздействия. Показано, что лазерное микроструктурирование поверхности трения является перспективным методом с целью управления фрикционными свойствами многофункциональных углеродных покрытий.
• Проведены исследования лазерного микроструктурирования поверхности алмазоподобных нанокомпозитных пленок (a-C:H,Si:O) пленок при воздействии фемтосекундными импульсами видимого диапазона (=515 нм, длительность импульсов =320 фс) [3]. Определены особенности формирования микроструктур в режиме лазерной абляции в зависимости от плотности энергии и частоты следования импульсов. Сформированы микроструктуры различной геометрической конфигурации для последующих исследований фрикционных свойств лазерно-текстурированной поверхности пленок. Исследованы фрикционные свойства лазерно-модифицированных пленок в нано-, микро- и макро-масштабе с использованием сканирующей фрикционной микроскопии и трибометра, обеспечивающего линейное возвратно-поступательное перемещение образца относительно неподвижного контртела. Для микроструктурированной поверхности обнаружено изменение смачиваемости (не только на лазерно-облученных участках, но и в местах переосаждения аблированного материала пленки), проявляющееся в увеличении гидрофобности лазерно-модифицированной поверхности по сравнению с исходной пленкой. Этот эффект приводит к сильному влиянию капиллярных сил на силы трения при малых нагрузках (в диапазоне от десятков наноньютонов до единиц микроньютонов) и уменьшению фрикционных сил на лазерно-модифицированных участках алмазоподобных нанокомпозитных пленок.

  1.  M.S. Komlenok, V.V. Kononenko, E.V. Zavedeev, V.D. Frolov, N.R. Arutyunyan, A.A. Chouprik, A.S. Baturin, H.-J. Scheibe, M.L. Shupegin, S.M. Pimenov, Laser surface graphitization to control friction of diamond-like carbon coatings, Appl. Phys. A (2015) 121:1031–1038.
  2.  M.S. Komlenok, N.R. Arutyunyan, V.V. Kononenko, E.V. Zavedeev, V.D. Frolov, A.A. Chouprik, A.S. Baturin, H.-J. Scheibe, S.M. Pimenov, Structure and friction properties of laser-patterned amorphous carbon films, Diamond & Related Materials 65 (2016) 69–74.
  3.  S.M. Pimenov, E.V. Zavedeev, N.R. Arutyunyan, O.S. Zilova, M.L. Shupegin, B. Jaeggi, and B. Neuenschwander, Femtosecond-laser surface modification and micropatterning of diamond-like nanocomposite films to control friction on the micro and macroscale, J. Appl. Phys. 122 (14), 145301 (2017).

• Проведены эксперименты демонстрирующие перспективность использования лазерных технологий для создания углеродных метаматериалов [1]. Используя проекционную схему облучения эксимерным лазером, на поверхности алмаза была создана периодическая (период 30 мкм) решётка, состоящая из графитизированных линий шириной 15 мкм и длиной 4400 мкм, которая должна выступать в роли поляризатора излучения в ТГц диапазоне частот. Спектры пропускания структурированного образца были измерены в диапазоне 30 – 40 см-1 для параллельной и перпендикулярной ориентации поляризации излучения относительно образованных графитизированных линий на поверхности алмаза. Из полученных спектров видно, что для волны с поляризацией, перпендикулярной полоскам, решётка прозрачна, а для параллельной – отражает излучение, что проявляется в уменьшении пропускания. Таким образом, решётка действует как поляризатор для ТГц излучения.

  1.  M.S. Komlenok, S.P. Lebedev, G.A. Komandin, A Piqu and V.I. Konov, Fabrication and electrodynamic properties of all-carbon terahertz planar metamaterials by laser direct-write, Laser Phys. Lett. 15 (2018) 036201.

• Осуществлены сравнительные исследования процесса лазерной абляции графеновых слоев на воздухе и в инертной атмосфере (Ar) под действием импульсного лазера (532 нм, 7 нс). Получены прямые экспериментальные свидетельства в пользу окислительного механизма лазерной наноабляции графеновых слоев.
• Проведены эксперименты по ультрапрецизионной (с точностью до атомарного слоя) лазерной абляции графена, полученного методом эксфолиации. Впервые экспериментально установлено, что на границе графен – подложка присутствует нанометровый слой адсорбата (воды), нагрев и испарение которого под действием лазерного импульса с энергией выше пороговой вызывает разрушение вышележащего слоя графена. Найдены режимы лазерного воздействия, при котором осуществляется плавное вытеснение адсорбата на периферию зоны воздействия.
• Исследована роль адсорбированной воды в процессе локальной (образование микроямок) трансформации графена, нанесенного на оксидированную кремниевую подложку, под действием серии наносекундных импульсов низкоинтенсивного сфокусированного излучения лазера с длиной волны = 532 nm в условиях воздушной среды [1,2]. Полученные при плотности лазерной энергии E=0.04 J/cm2 экспериментальные данные и проведенные численные оценки свидетельствуют в пользу того, что образование микроямок является следствием удаления слоя водяного адсорбата, интеркалированного между графеном и подложкой, из зоны лазерного облучения графенового листа. Установлено, что энергетический порог разрушения графена на участках, где удалена вода, возрастает по сравнению с исходным уровнем (с E~ 0.048 J/cm2 до E~ 0.058 J/cm2). Компьютерное моделирование динамики нагрева образца и распределения тепла показало, что слой водяного адсорбата до температур, достаточных для образования паровой полости повышенного давления под пленкой графена.

  1.  V.D. Frolov, P.A. Pivovarov, E.V. Zavedeev, А.А. Khomich, A. N. Grigorenko, V.I. Konov, "Laser-induced local profile transformation of multilayered graphene on a substrate", Optics & Laser Technology, Vol. 69, 34–38 (2015).
  2.  В.Д, Фролов, Е.В. Заведеев, П.А. Пивоваров, А.А. Хомич, А.Н. Григоренко, В.И. Конов «Вода на границе графен-подложка: взаимодействие с короткими лазерными импульсами», Квантовая электроника 45 (12) 1166 – 1170 (2015).

• Разработан метод сканирующей полевой-эмиссионной микроскопии для исследования электронных эмиттеров. Исследована роль квантово-размерных эффектов в низкополевой электронной эмиссии и углеродных наноструктур [1].

  1.  В.Д. Фролов, С.М. Пименов, В.И. Конов, Определение ключевых факторов низкополевой электронной эмиссии из углеродных наноструктур, «Российские нанотехнологии», том 7, №1-2, стр.46-49 (2012).