1.2. Laserler ve Laserlerin Çalışma Prensipleri 2
1.2.5. Atımlı Laser Ablasyonu 19
Kısa yüksek yoğunluklu laser atımları vasıtasıyla meydana gelen malzeme ayırma işlemi atımlı laser ablasyonu olarak adlandırılır. Ablasyon, laserin malzeme üzerine belirli bir geometride odaklanmasıyla yapılırsa laser ablasyon gerçekleşmektedir. Eğer ablasyon kısa güçlü laser atımlarıyla yapılırsa atımlı laser ablasyon olarak adlandırılır. Laser kullanarak malzemeden iyon veya nötral biçimde parçacıklar sökülür.
Numune analizinde laser ablasyonun (LA) kullanımı bazı özelliklerden dolayı çok rağbet görmektedir. Bu özellikler en az numune hazırlama gereksinimleri, hem iletken hem de yalıtkan malzemelerin analizi için yeterlilik ve yüzey analizidir. Hedef; katı malzemelerde bulunduğu gibi bileşenlerin benzer stokiyometrik oranlarıyla birlikte malzemenin düşük yoğunluklu gaz plazmasının üretilmesidir. Normalde, nicel elemental analiz için laser ablasyon yüksek güç kullanımı, ayarlı dalga boyu, numunenin ablasyonu için atımlı laserler içerir (Cleveland ve ark. 2005).
Katı malzemelerin atımlı laser ışınlarıyla bombardıman edilmesi (PLI) 1980 yıllarından beri nükleer fizikte, mikroelektronikte ve tıpta olduğu gibi farklı alanlarda geniş bir uygulama özelliği olan hızlı gelişen bir tekniktir. Örneğin oldukça sıcak
plazma üretimi için iyon demetleri oluşturmak veya elektron demetleri üretmek için farklı alttabakalar üzerine ince filmler çökeltmek için kullanılabilir (Torrisi ve ark. 2003).
Diğer geleneksel model tekniklerle karşılaştırıldığında, direkt katı malzeme analizi için laser ablasyonu çok açıkça avantajlara sahiptir (Peng ve ark. 2008); örneğin numune geometrisi ve iletkenlik gerekli değildir ayrıca kimyasal kirliliği ve parça kayıpları analizden önce göz ardı edilecek kadar az miktarda malzeme oranı ve az miktarda malzeme tüketimi vardır. Ek olarak, laser ablasyonu yüzey mikroanalizi, derinlik profili incelemek için ve elemental bileşiklerin uzaysal dağılımı için de uygulanabilmektedir.
Atımlı laser ablasyonu süreci atım sırasında ablate edilen hacimde uyarma enerjisinin dağılmasını büyük ölçüde yavaşlatmaktadır. Bu olay ısısal nüfuz derinliği
1/ 2
2( )
T
l ≈ Dτ veya optik nüfuz derinliği lα =α−1 biçiminde ifade edilir ve bunlardan büyük olanına bağlıdır (Bäuerle 1996). Atım başına ablate edilen tabakanın kalınlığı ( h∆ ) ile tanımlanır. Bütün bunlar
(
)
max T,
h l lα
∆ ≈ . 1.29
denklemiyle ifade edilir.
Atımlı laser ablasyonu, ablasyon oluşumu sırasında stokiyometrinin korunmasına izin verdiği için, bu teknik kütle spektroskopisiyle oluşturulan kombinasyonda çok bileşenli malzemelerin kimyasal analizinde kullanılır.
Kısa yüksek yoğunluklu laser atımlarıyla ışınlanan malzemelerin gösterdiği ortak özellikler: önemli yüzey ablasyonu sadece laser akısı (φ) belirli bir eşik akısını (φeşik ) aşaması durumunda gözlenmektedir. Buna karşılık tamamen farklı malzemelerle yapılan deneysel incelemeler φ φ< eşik, φ φ≈ eşik ve φ φ> eşik laser yoğunlukları bölgelerinde gerçekleştirilmektadir. Birçok organik yalıtkanlar için
eşik
φ parametresi, 0.5 ve 2J/cm2 arasında değerler almaktadır. Organik malzemelerde bu değerler 0.01≤
φ
eşik ≤1 /J cm2 aralığındadır (Bäuerle 1996).- 21 -
Uyarma enerjisi küçük bir hacim içinde sınırlandırılacağı için artan etkin soğurma katsayısı ile φeşik değerinin azalması hem termal hem de termal olmayan ablasyon mekanizmalar için belirlenir.
Etkin soğurma katsayısı(
α
) 1.30 denklemiyle ifade edilmektedir.0 ( )
NL DND i N
α α σ= + +α +α . 1.30
Burada α0 saf malzemenin lineer sıcaklığa bağlı soğurma katsayısını ifade etmektedir. Đkinci terim katkılanan malzemenin ışık soğurucu etkisini tanımlamaktadır. N hacim başına üretilen atom/molekül sayısıdır. Üçüncü terim D radyasyonun soğurmada indüklendiği hatalar tarafından sebep olan değişimlerin katkısını ifade etmektedir. αi laser atımının belli sayısından, N, sonra doyar. Geçici hasarlarla birlikte αi laser atımında tekrarlama oranına bağlıdır. Son terim αNL çoklu foton soğurma süreçlerinde yer alır. Çok yüksek laser gücüyle kendi kendine indüklenen şeffaflık, ısı denetimsizliği, çığ iyonizasyonu v.b. gibi durumlar önemli olduğunda bu yaklaşım önemini kaybeder (Bäuerle 1996).
Atımlı laser ablasyonu üç çeşittir, bunlar; fototermal, fotofiziksel ve fotokimyasal ablasyon olarak adlandırılır.
1.2.5.1. Fototermal ablasyon
Termal ablasyon, indüklenen laser sıcaklığına ve buharlaşmaya dayanır. Bu durumda uyarma enerjisinin kaybı, uyarma mekanizması ihmal edilebilecek kadar hızlı gerçekleşmektedir (Bäuerle 1996).
1.2.5.2. Fotofiziksel ablasyon
Fotofiziksel ablasyonda ısısal olmayan uyarmalar, ablasyon oranını doğrudan etkiler. Bunlardan biri elektron deşik çiftidir. Elektron deşik çiftleri, elektronik olarak uyarılmış numunelerden enerji transferine kadar yüzeyi terk ederler.
1.2.5.3. Fotokimyasal ablasyon
Fotokimyasal laser ablasyonu hem foto ayrılmayla hem de hasarlar, safsızlık v.b. yollarla olan dolaylı enerji transferiyle ısısal olmayan bağ kopmasına dayanır. Atımlı laser ablasyonunda ısısal olmayan süreçlerin deneysel ifadesi organik polimerlerle, inorganik yalıtkanlarla ve yarı-iletkenlerle elde edilir.
Bu üç tip ablasyona ek olarak bir de termo ve fotomekanik ablasyon vardır.
1.2.5.4. Termo ve fotomekanik ablasyon
Mekanik ablasyon, laser ışığı tarafından yapılan basınç tarafından gerçekleştirilen bir ablasyon sistemidir. Isısal (ısısal genişleme, buharlaşma, ısısal oluşan hasarlar v.b.) veya ısısal olmayan etkilerden (direkt bağ kopmasından dolayı genişleme, ısısal olmayan hasar durumu v.b.) kaynaklanıp kaynaklanmadığına bağlı olarak, sırasıyla termomekaniksel ve fotomekaniksel ablasyon tanımlamalarını kullanırız. Ablasyon
Yüzeyden buharlaşan türlerin geri tepme kuvvetinin etkisi altında sıvı faz çıkarılması,
Işık tarafından indüklenen basınçların meydana geldiği inorganik yalıtkanlar ve yarı- iletkenlerde malzemenin soğurganlığındaki değişimler,
Polimer zincirinin hem ısısal hem de ısısal olmayan parçalanmasının hacim artmasına yol açtığı polimer ablasyon,
Mekaniksel basınçlarda bağ kopma enerjisini değiştiren durumlar,
Tabaka oluşması, seramiklerin belirli tipleri, bileşik malzemeler gibi farklı fiziksel özelliklerle farklı malzemelerin oluştuğu kuvvetli homojen olmayan sistemler, Biyolojik dokuların atımlı laser ablasyonu
durumlarında oldukça önemlidir (Bäuerle 1996).