Bulk metal hedeflerin ve bu metallerin PLD yöntemi ile üretilecek ince filmlerinin laser ablasyon eşik enerji yoğunluk değerlerinin belirlenmesi amaçlanmaktadır. Bu değerlerin hesaplanması için Sıfır Hasar yöntemi denilen yöntem (Liu, 1982) farklı malzeme türleri ve laser sistemleri için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemin gerçekleştirilmesi için laser parametrelerinin, yayılma şartlarının detaylı olarak belirlenmesi ve çok sayıda deneysel çalışma yapılması gerekmektedir. Samad ve Vieira’nın 2006 yılında önerdikleri D-Scan adlı yöntem ile bu değerlerin belirlenmesi deney açısından daha pratiktir ve ince film benzeri yapılar için daha uygun bir yöntemdir. Aynı grubun diğer çalışmalarında farklı malzemeler için çalışılmış ve Liu’nun önerdiği yöntem ile uyumlu sonuçlar verdiği bildirilmiştir.
Bu projenin amaçladığı çalışma zincirinde bulk ve ince film yapıların ablasyon eşik değerleri femtosaniye ve nanosaniye laser sistemlerinde farklı dalga boylarına sahip laser pulsları ile D-scan yöntemi kullanılarak hesaplanacaktır. Bu yöntem 10 pikosaniye mertebesinden daha kısa süreli olan ultra-kısa pulslar için geliştirilmiştir. Yaptığımız ön çalışmada nanosaniye süreli laser pulsları kullanılarak bulk malzemeler için literatürle uyumlu sonuçlar elde edilmiştir ve ince filmlerle elde edilen sonuçların detaylandırılması durumunda bu yöntemin bu yapılarda kullanılabilirliği incelenecektir.
Enerji yoğunluğu ve eşik enerji yoğunluğu değerleri güçlü laser sistemleri ile gerçekleştirilen çalışmalar için nitel ve nicel özellikleri belirleyen önemli bir parametredir. Bu çalışmada bu önemli parametrenin çok sayıda yapı için belirlenmesi, yapıların özelliklerine göre incelenmesi ve karşılaştırılması ile güçlü laser sistemleri ile yapılacak çalışmalara yönelik bir kaynak oluşturulacaktır.
Resim 1. D-scan yönteminde oluşturulan laser aşındırma profili
Bu yöntemde ablasyon eşik enerjisinin hesaplanabilmesi için iki büyüklüğün bilinmesi yeterlidir. Biri puls enerjisidir ve ölçülmesi laser laboratuvarındaki detektör yeterlidir. Diğeri oluşan laser aşındırma şeklinin en geniş olduğu yerdeki yarı genişliktir. Bu ölçüm de bir optik mikroskop ile kolayca yapılabilir. Bu sebeplerden dolayı D-Scan yöntemi pratik bir yöntemdir. Sıfır hasar yöntemi ile uyumlu sonuçlar verir (Elgul ve ark., 2012; Machado ve ark., 2012). Bu yöntemde iki kanatlı ablasyon profilinin oluşması için laser puls gücünün kritik değeri aşması gerekir. Tarama sonunda iki kanatlı profil oluşmazsa güç yükseltilerek tekrar denenmesi gerekir.
Yukarıda bu projede kullanılacak laser ablasyon enerji yoğunluğu belirleme yöntemi açıklanmıştır. Her bir laser pulsunun hedef malzeme yüzeyinden parçacık koparma derinliği nanometre mertebelerinde olduğun ve bu yöntem yüzey tarama esasına dayalı olduğu için ince film yapılarında Literatür Özeti bölümünde açıklanan sıfır hasar yöntemine göre daha avantajlıdır. Bu nedenle bulk metal hedeflerin ve bu metallerin ince filmlerinin ablasyon eşik enerji yoğunluklarının belirlenmesini amaçlayan bu çalışmada bu yöntemin kullanılmasının uygun olduğu kanaatine varılmıştır.
Ablasyon eşik enerji yoğunluklarının belirlenmesi için altın, alüminyum, bakır, gümüş, indiyum, kalay, molibden, nikel, paladyum, platin, tantal, titanyum ve tungsten metalleri seçilmiştir. Bu metaller elektriksel iletkenlikleri ile cihaz üretiminde yaygın olarak kullanılması, ince film yapılarında yüzey plasmon etkileri göstermeleri, optik araçlarda kaplama olarak kullanılmaları gibi özellikleri nedeniyle seçilmiştir.
Çalışmanın ilk aşamasında bulk metal hedeflerin ablasyon eşik değerleri ns ve fs laser sistemleri kullanılarak D-scan yöntemi ile belirlenecektir. Bu aşamada her bir hedef malzeme için nanosaniye laser sisteminde 1064, 532, 355 ve 266 nm dalga boylarında, femtosaniye laser sistemi ile 800, 400 ve 266 nm dalga boylarında bu değerler belirlenecektir.
İkinci aşamada bu metallerin ince filmleri PLD yöntemi ile laser puls enerjisine bağlı olarak 3 farklı kalınlıkta cam üzerine üretilecektir. Bu aşamada, tek değişken parametre laser puls enerjisi olarak seçilmiştir. Kullanılan laser puls enerjisi arttıkça ince film kalınlıklarının artması beklenmektedir. Diğer parametreler hedef ile alt tabaka arası uzaklık 5 cm, laser ile ışınlama süresi 60 dakika, laser dalga boyu 532 nm, laser tekrarlama hızı 10 Hz, vakum basıncı 10-7 mbar olarak her bir ince filmin üretimi sırasında aynı olacaktır.
Sonraki aşamada üretilen ince filmlerin karakterizasyonu yapılacaktır. Bu aşamada filmlerin UV-VIS-IR soğurma spektrumları, XRD, AFM, SEM, profilometri analizleri ve kalınlık ölçümleri yapılacaktır. İnce filmlerin hangi laser dalga boyları ile ablasyon eşik enerji yoğunluklarının hesaplanacağı soğurma spektrumlarına göre belirlenecektir. Diğer karakterizasyon yöntemleri ile ince filmlerin yüzey özellikleri, parçacık yapısı, yönlenme özellikleri ve kalınlıkları belirlenecek, bu özelliklerin ablasyon eşik enerjisi yoğunluğuna etkileri incelenecektir.
İnce filmlerin D-scan yöntemi ile ablasyon eşik değerlerinin belirlenmesi çalışmasının deneysel son bölümü olacaktır. Bu aşamada ince filmlerin soğurma özelliklerine göre seçilecek dalga boyları için nanosaniye ve femtosaniye laser sistemlerindeki ablasyon eşik değerleri belirlenecektir.
Bayır S., Kılıç H.Ş., Kepceoğlu A., Nalbantoğlu İ.E., Yiğit Gezgin S., Gündoğdu Y., (2015), Balkan Physıcal Unıon, 9th Internatıonal Physics Conference, “Ablation Threshold Fluence Determination Of PLD Deposited Thin Films and Bulk Targets Using D-Scan Method”, Istanbul, Turkey.
