Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

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.

Zalety metody PLD Możliwość wytwarzania powłok o składzie stechiometrycznym materiału nanoszonego. Można nakładać warstwy metaliczne, półprzewodnikowe, dielektryczne. Precyzyjna kontrola grubości warstwy. Możliwość automatyzacji procesu.

Hydroxyapatyt ( Ca 10 (PO 4 ) 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.

Cel eksperymentu: Badanie wpływu obecności gazu otaczającego i jego ciśnienia na charakter rozlotu obłoku plazmy. Analiza obecności pary wodnej na jakość osadzanej warstwy hydroksyapatytu.

Schemat układu eksperymentalnego

Profile natężenia linii spektralnych w funkcji czasu I ki = 1 A 4π ki hν ki L 0 n k ( l) dl Impuls laserowy i promieniowanie plazmy przy tarczy. Signal (arb.units) 0.006 0.004 0.002 laser pulse plasma radiation Intensity (Arb. units) Natężenie linii Ca II 393.366 nm w funkcji czasu. Brak obecności pary wodnej. Ciśnienie 10 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.5*10 8 W/cm 2. 1.2 0.8 0.4 Target x=0 Laser 9.2 mm Ca II 3933.66 line 16.5 mm 0.000 0.0 0 200 400 600 2000 3000 4000 5000

Natężenie linii Ca II 393.366 nm w funkcji czasu w obecności pary wodnej pod ciśnieniem 40 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.5*10 8 W/cm 2. x = 3.67 mm 0.04 x = 7.34 mm Intensity (arb. units) 0.006 0.004 0.002 x = 0 Intensity (arb. units) 0.04 0.02 Intensity (arb. units) 0.03 0.02 0.01 0.00 0.000 0 2000 4000 1000 2000 3000 4000 0.00 1000 2000 3000 4000 x = 11.01 mm 0.012 x = 14.68 mm 0.008 Intensity (arb. units) 0.004 Intensity (arb. units) 0.008 0.004 0.000 1000 2000 3000 4000 0.000 1000 2000 3000 4000

Natężenie linii Ca II 393.366 nm w funkcji czasu w obecności pary wodnej pod ciśnieniem 46 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.2*10 8 W/cm 2. 0.10 x=4.22 mm 0.08 x=7.47 mm 0.08 x=10.72 mm Intensity (Arb. Units) 0.08 0.06 0.04 0.02 Intensity (Arb. units) 0.06 0.04 0.02 Intensity (Arb. units) 0.06 0.04 0.02 0.00 2000 3000 4000 5000 0.00 2000 3000 4000 5000 0.00 2000 3000 4000 5000 6000 0.08 x=13.97 mm Intensity (Arb. units) 0.06 0.04 0.02 0.00 2000 3000 4000 5000 6000

Natężenie linii Ca I 422.67 nm w funkcji czasu w obecności pary wodnej pod ciśnieniem 46 Pa. Natężenie impulsu laserowego 2.2*10 8 W/cm 2. 4227 line 0 mm Intensity (arb.units) 0.01 0.00 3.25 mm 6.5 mm 9.75 mm 13 mm 16.25 mm 0.00 2000 3000 4000 5000 6000 Time (nanosec)

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.

Obrazy obłoku plazmy zarejestrowanego bez użycia filtru. p=10-2 Pa, bez pary wodnej.

Obrazy obłoku plazmy zarejestrowanego bez użycia filtru. p=30 Pa, komora wypełniona parą wodną.

Prędkość atomów wapnia w funkcji odległości od tarczy. 50000 Water vapour, p=46 Pa 40000 Air, p=10 Pa Air, p=0.009 Pa Velocity [m/s] 30000 20000 10000 0 0 5 10 15 20 25 Distance from the target [mm]

Prędkość frontu atomów wapnia 422.67 nm. 40000 water vapour 35 Pa air 10 Pa 30000 air 0.008 Pa Velocity (m/s) 20000 10000 0 0 1000 2000 3000

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. 1.0 0.8 1E+18 p=0.008 Pa p=10 Pa Intensity (Arb.Units) 0.6 0.4 0.2 Full Width at Half Maximum Ne (cm-3) 1E+17 0.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Wavelength (Arb.Units) λ 1/ 2 ~ N e 1E+16 0.0 1.0 2.0 3.0 Distance from the target (cm)

Temperatura elektronów Równanie Saha: n n Równanie Boltzmanna: 3 z U z ( T ) 15 χ 2 z 1 χ z 1 ne = 4.83*10 T exp( 1.4388 z 1 U z 1( T ) T nk g k Ek = exp( ) n U ( T ) kt ) Ek U ( T ) = g k exp( ) kt k jon jon jon jon 3 atom atom I ν A g χ χ = E ki ki ki k 15 2 n T e 4.83*10 exp 1.4388 exp 1. atom atom atom atom I A g ki ν ki ki k T 4388 atom k E T jon k I(Ca II 3933)/I(Ca I 4227)*Ne(cm-3) 1.0E+21 1.0E+20 1.0E+19 1.0E+18 1.0E+17 1.0E+16 1.0E+15 1.0E+14 1.0E+13 1.0E+12 1.0E+11 1.0E+10 I(3933.66 Ca II)/I(4226.7 Ca I) * Ne 4000 8000 12000 16000 20000 Temperatura

Temperatura elektronów dla p=10 Pa. 30000 expected trend Temperature (K) 20000 10000 0 0.0 1.0 2.0 3.0 Distance from the target (cm)

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.

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.

Wyniki badań dyfraktometrem rentgenowskim. Para wodna p=30 Pa Powietrze p=30 Pa (dodatek tlenu) 2500 2500 2000 2000 Intensity 1500 1000 Intensywność 1500 1000 500 500 0 20 30 40 50 60 70 80 0 20 30 40 50 60 70 80 2 theta 2 theta Powietrze p=30 Pa 2500 2000 Intensywność 1500 1000 500 0 20 30 40 50 60 70 80 2 theta

Podsumowanie Przy ciśnieniu powyżej 10 Pa obłok jest wyraźnie spiętrzany przez gaz otaczający Prędkość obłoku; powietrze 10 Pa :2.5 10 4 0.78 10 4 m/s w odległości 2.6-18 mm od tarczy. para wodna 46 Pa: 1.2 0.25 10 4 m/s w tych samych odległościach. Pojawiają się dwie grupy cząstek o różnych prędkościach Gęstość elektronów przy tarczy 3 10 17 cm -3 maleje do wartości 2 10 16 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.