eng
Выпуск #4/2011
Л.Раткин, к.т.н.
Научные исследования в сфере фотоники. Приоритетные направления
Научные исследования в сфере фотоники. Приоритетные направления
Просмотры: 3276
Поверхностное и объемное микро- и наноструктурирование, фемтобиология и фотосинтез, применение лазерной техники в медицине, фотонная активация синтеза наноструктур – все эти вопросы интересуют научное сообщество. В статье рассмотрены приоритетные направления научных исследований в сфере фотоники, обсуждаемые на научных собраниях и форумах, в которых участвовали представители Российской академии наук (РАН) в 2010–2011 году.
Использование алмаза в электрохимии, оптике, биосенсорике и электронике связано с его высокой химической и радиационной стойкостью, которые наряду с биосовместимостью и рядом других свойств обусловливают нарастающий интерес к алмазу. В настоящее время наблюдается тенденция к удешевлению стоимости алмаза, при этом синтетические алмазы имеют лучшие характеристики по сравнению с природными монокристаллами. Темой доклада члена-корреспондента РАН В.И.Конова стало поверхностное и объемное микро- и наноструктурирование алмазных материалов.
Синтетический алмаз можно получать несколькими методами. Один из них – метод CVD (chemical vapor deposition) – базируется на технологии газофазного плазмохимического осаждения на горячую подложку алмазных пленок [1]. В качестве газовой среды применяют смесь водорода и титана, при этом зона осаждения может достигать десятков сантиметров, а температура подложки не превышать 1000о С. Другой метод – HPHT (high pressure high temperature) – предусматривает сжатие графитовой шихты при высоких значениях температуры и давления [2]. Добавление металлических катализаторов помогает синтезировать моно- и поликристаллические образцы с размерами до 5–10 мм. Применение HPHT-метода ограничено высоким содержанием азота и примесей в конечном продукте. После завершения процесса осаждения алмазная пластина или пленка отделяется от подложки. Применение монокристаллов алмаза в качестве подложки позволяет обеспечить эпитаксиальный рост пленок. Обнаружено, что при использовании моноизотопного углерода в метане для повышения качества CVD-алмазов его теплопроводность в поликристаллической форме превышает значения аналогичных показателей для природных монокристаллов [3].
Нанокристаллические алмазные пленки являются модификациями CVD-алмаза [4, 5]. Наноалмазные зерна диаметром 4–20 нм в матрице из полиацетилена и нанографита синтезируются при температурах, лежащих в диапазоне 400–600о С. Они имеют улучшенные значения оптической прозрачности, толщину до 20 мкм, шероховатость на уровне от 20 до 50 нм и высокую микротвердость – до 90 ГПа. Высокими значениями гладкости и твердости обладают алмазоподобные пленки, получаемые газофазным осаждением и вакуумным напылением [6].
Эффект термической графитизации алмаза применяется для изготовления бриллиантов [7,8]. Изучение спектров комбинированного рассеяния света, включая исследования электропроводности, подтверждают локальную графитизацию. При этом иногда проявляется вспученность участков поверхности, высота которой порой достигает десятков нанометров. Причина кроется в разной плотности графитизированного и алмазного материалов. Сканируя поверхность по контуру через фотошаблоны, можно формировать структуры проводящих дорожек и микро- и наноструктур на поверхности материала. Предварительное нанесение тонкопленочных покрытий на образец облегчает процесс его поверхностной графитизации.
При низкой интенсивности жесткого УФ-излучения возможна перестройка структуры алмаза: на поверхности появляются слабо связанные с решеткой алмаза кластеры и атомы углерода, удаляемые посредством реакции окисления при незначительном нагреве лазерными импульсами [9]. Многократное облучение в воздухе позволяет формировать на поверхности алмаза жестко контролируемые по глубине структуры глубиной до 10 нм.
При интенсивности, достаточной для испарения графитизированного слоя, наблюдается активная абляция алмаза, порог которой возрастает с увеличением длительности импульсов: от нескольких микрон за импульс для микросекундных импульсов до 50–100 нм/импульс для фемто- и пикосекундных импульсов. Особенностью абляции алмазных материалов является формирование фазового перехода "алмаз-графит" при отсутствии жидкой фазы в зоне и продуктах абляции. Важна минимизация влияния на качество лазерной обработки жидкой фазы материала – например, термокапиллярных волн на поверхности расплава и капель.
Графитизированный слой, который остается всегда на стенках и дне кратера по окончании действия импульса, препятствует повышению качества абляционного микроструктурирования поверхности. Его толщина эквивалентна толщине удаленного импульсом слоя алмаза. В этом случае облученная поверхность протравливается или окисляется, позволяя формировать на поверхности алмазных материалов субмикронные трехмерные структуры – например, дифракционные алмазные элементы – тонкие алмазные пластины с фазовым рельефом [10]. Получаемые алмазные оптические элементы обеспечивают трансформацию апертуры с заданным распределением энергии.
Эксимерные KrF-лазеры применяются для создания дифракционных алмазных элементов. Засвеченная квадратная диафрагма проецируется с десятикратным уменьшением в пятно 250 мкм2 на поверхность образца, расположенного на управляемом компьютером двухкоординатном подвижном столе. Поверхность сканируется лазерным лучом: специальной программой в каждую точку подается определенное число импульсов, перемещение осуществляется с шагом 50 мкм. Аналогично создаются элементы со сложноструктурированной поверхностью на базе алмаза и ряда иных материалов для микросистемотехники, электроники и интегральной оптики [11].
Перспективным направлением являются технологии формирования структур внутри объема твердого тела. Они опираются на принципы программирования перемещения области фокальной перетяжки внутри облучаемого объекта, фазовые и структурные превращения материала, острую фокусировку излучения, минимизацию вложенной энергии импульса, учет механизма включения нелинейного поглощения в области высокой мощности излучения в фокальном объеме, прозрачность материала для низкоинтенсивного излучения. Фокусировка излучения, подаваемого в виде мощных наносекундных импульсов, внутри объема кварца или стекла приводит к растрескиванию (разрушению) материала в окрестностях и внутри фокального объема. Рассеяние искусственного или дневного света на сформированных дефектах создает эффект появления белой непрозрачной области внутри прозрачного образца. Таким образом, сканируя внутреннюю область образца, в ней создают фигуры и тексты. При переходе к фемтосекундным импульсам лазерное воздействие затрагивает меньшую по размерам область внутри материала. Поэтому фемтосекундные лазеры применимы для создания пространственно-модулированных по оптическим свойствам и лазерно-активных фотонных кристаллов [12].
Получение графитизированных сфер (капель) при сдвиге положения фокального объема навстречу лазерному лучу приводит к синтезу графитизированных нитей и изогнутых нитевидных структур. При выходе на поверхность образца графитизированого материала можно его удалить путем химического травления с последующим формированием структур и каналов в объеме алмаза. Это дает пищу конструированию устройств и компонентов на базе алмаза с полупроводниковым (диэлектрическим) материалом – алмазной матрицей, электропроводящих графитизированных структур и полых каналов. Широкий спектральный диапазон прозрачности алмаза наряду с его высокой теплопроводностью позволяет конструировать различные метаматериалы и оптоэлектронные устройства [13, 14].
К числу технологий объемного микроструктурирования алмаза следует отнести комбинацию поверхностной лазерной обработки (например, электронным пучком) с химическим осаждением и повторяющимся CVD-процессом синтезирования алмаза. Данная технология – трехступенчатая [15]. Сначала из-за абляции алмазной поверхности на дне лазерного кратера образуется графитизированный слой. Затем в специальной ванне выполняется жидкостная металлизация поверхности образца. При этом на поверхности дорожки формируется структура "графитизированное покрытие – металлическая пленка". Перемещая затем образец в плазмохимический реактор, выполняют дополнительное осаждение CVD-алмаза. В итоге проводящая дорожка предстает в виде алмазной инкапсуляции.
Многократное повторение процедуры способствует формированию внутри CVD-алмаза многослойных проводящих структур. В частности, полупроводник p-типа может быть синтезирован из CVD-алмаза при соосаждении бора.
О первичных процессах фотосинтеза и фемтобиологии говорили в своих выступлениях академик В.А.Шувалов и д.ф.-м.н. О.М.Саркисов. Изучая бактериальные реакционные центры с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллов, научные группы под их руководством выявили расположение порядка 10 тысяч атомов хлорофилл-белкового комплекса, объединяющего 1 атом Fe, 2 молекулы менахинона (убихинона), 2 молекулы бактериофеофитина, 3 белковые субъединицы и 4 молекулы бактериохлорофилла. В последние годы в лабораториях учеными РФ был установлен факт формирования колебательного ядерного волнового пакета при возбуждении ультракороткими лазерными импульсами в 20 фс первичного донора электрона. Когерентное движение пакета по потенциальной поверхности возбужденного состояния сопряжено с быстрыми начальными реакциями переноса электрона [16, 17]. Направленность и эффективность первичного разделения зарядов реакционных центров является следствием сочетания ряда факторов. Среди них можно отметить некогерентное изменение ядерных координат за счет переориентации гидроксильной группы тирозина и когерентный перенос электрона к первичному акцептору от возбужденного первичного донора электрона. Кинетика переноса электрона на первичный акцептор с первичного донора в реакционных центрах пурпурных бактерий характеризуется двумя временными константами – 4,3 пс (20%) и 1,1 пс (80%) [17, 18].
В фотосинтетических реакционных центрах пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides методом фемтосекундной спектроскопии выявлена интересная зависимость. Оказалось, что наблюдаемое увеличение поглощения при 1080 нм и излучение с максимумом при 935–940 нм идентифицируют процесс разделения зарядов между молекулами бактериохлорофиллов. При использовании импульса света продолжительностью 20 фс в случае образования волновых пакетов происходит перенос электрона на последующий акцептор.
Цианобактерии, водоросли и зеленые растения используют фотосистему – хлорофилл-белковый комплекс, применяемый для восстановления ферредоксина энергию света [19, 20]. Рентгеноструктурный анализ с разрешением 0,25 нм комплекса фотосистемы цианобактерий Synechococcus elongates подтверждает наличие в ней 127 кофакторов и 12 белковых субъединиц. Подавляющее большинство молекул хлорофилла используются как антигенные пигменты, главной целью которых является поглощение светового возбуждения с его переносом в реакционный центр в середине комплекса фотосистемы. Применение линейно-поляризованного света для зондирования и накачки способствует появлению в дифференциальном спектре полосы при 660 нм.
Доклад члена-корреспондента РАН И.А.Щербакова затрагивал различные аспекты применения лазерной техники в медицине. Использование импульсных лазеров при воздействии на биоткань определяется целой совокупностью факторов. Среди них отмечают длительность импульса излучения с учетом термического и нетермического воздействия, плотность энергии и длину волны. Большой диапазон изменения длительности импульса способствовал повышению интереса к изучению различных явлений, в т.ч. генерации и распространению ударных волн, оптическомупробою на поверхности мишени, образованию и развитию плазмы и многофотонному поглощению.
Применяемый в медицинских приборах механизм разрушения камней является многостадийным нелинейным процессом. После поглощения зеленой компоненты излучения на поверхности камня возникает оптический пробой, который сопровождается образованием плазменной искры и поглощением плазмой ИК-излучения. Образование и развитие кавитационных пузырей связано с генерацией слабой ударной волны, предшествующей мощной ударной волне при коллапсе кавитационного пузыря. Представленный метод литотрипсии приводит не только к радикальному снижению числа осложнений и сокращению послеоперационного периода лечения. Отмечают высокую скорость фрагментации – продолжительность разрушения варьируется в диапазоне 10–79 с, все зависит от механической прочности и твердости камней. Также необходимо отметить безопасность воздействия на окружающие мягкие ткани (ударная волна ими не поглощается и не наносит им вреда). Отсутствие повреждения волоконного инструмента при доставке излучения и высокая эффективность при фрагментации камней разной локализации и различного химического состава – дополнительные преимущества метода. Например, комплекс "Лазурит" включает скальпель-коагулятор, используемый для проведения операций на кровенаполненных органах. Резекция опухолей производится без пережатия почечных сосудов с минимальной кровопотерей. Лапароскопический доступ позволяет одновременно проводить гемостаз и резекцию опухоли с достижением абластичности раны.
Офтальмологическая система "Микроскан" для рефракционной хирургии (коррекция астигматизма, дальнозоркости и близорукости) на базе ArF-эксимерного лазера с длиной волны излучения 193 нм создана в Институте общей физики (ИОФ) РАН. При частоте повторения импульсов 300 Гц коррекция зрения на одну диоптрию занимает 5 с, поскольку излучение с длиной волны 193 нм интенсивно поглощается глазной роговицей. Более 40 клиник РФ оснащены установкой "Микроскан", порядка 55% внутреннего рынка занимают разработанные в ИОФ РАН офтальмологические эксимерные системы для рефракционной хирургии.
Фемтосекундный лазер "Фемто Визум", разработанный Центром физического приборостроения ИОФ РАН, предназначен для интрастромальной обработки роговицы с длительностью импульса от 250 до 400 фс и длиной волны излучения 1,054 мкм. Принцип действия основан на многофотонном поглощении и фотодеструкции тканей роговицы. Прибор применяется как прецизионный скальпель для микроразрезов внутри роговицы без влияния на ее поверхностные слои, для послойного расслоения роговицы вместо микрокератома, для кератопластики и создания интрастромальных каналов.
МНТК "Микрохирургия глаза", Центром физического приборостроения ИОФ РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова и Институтом проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАН при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям разработаны офтальмологический комплекс, состоящий из диагностической аппаратуры (в т.ч. сканирующего офтальмоскова и аберрометра), фемтосекундный комплекс "Фемто Визум" и модернизированная установка "Микроскан Визум".
Для фотодинамической диагностики и терапии рака также применяется лазер: монохроматическое излучение инициирует фотохимические реакции с биологическими преобразованиями в тканях. Из расчета – доза введенного на 1 кг веса пациента фотосенсебилизатора колеблется от 0,2 до 2 мг. Вводимый в организм больного фотосенсебилизатор накапливается преимущественно в опухоли. Последующая флуоресценция указывает на место ее локализации. При увеличении мощности излучения образуется синглетный кислород, разрушающий опухоль. Поскольку введение фотосенсибилизатора может иметь побочные эффекты, нередко применяется метод лазерно-индуцированной аутофлуоресценции. В ряде случаев флуоресцируют именно клетки опухоли, в то время как у здоровых этот эффект не наблюдается. В ИОФ РАН изготовлено свыше 200 экземпляров приборов для фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностики. Более 150 приборов расположены в научных центрах и клиниках российской столицы, порядка 20 – в других регионах РФ. Около 50 находятся в зарубежных медцентрах.
Выступление заведующего кафедрой Воронежского государственного университета академика В.М.Иевлева было посвящено фотонной активации синтеза наноструктур. Рассматривался синтез пленок карбида вольфрама и CuInSe2, ориентированных наноструктурированных пленок SiC на Si, контактно-металлизированных систем СБИС на основе пленок силицидов титана, нанокристаллических пленок SiC на SiO2 и оксидирование пленок с гетероструктурой Ti/SiO2/Si и металлов (Ti/фторфлогопит).
Литература
1. Spitsin B., Bouilov L., Derjaguin B. Vapor growth of diamond on diamond and other surfaces. – Journal of Crystal Growth, 1981, v. 52.
2. Burns R., Hansen J., Spits R. et al. Growth of high purity large synthetic diamond crystal. –Diamond and Related Materials, 1999, p. 1433.
3. Инюшкин А., Ральченко В., Талденков А. и др. Значительный рост теплопроводности поликристаллического CVD-алмаза при изотопном обогащении. – Краткие сообщения по физике. ФИАН, 2007, № 11.
4. Konov V., Smolin A., Ealchenko V. et al. D.C. arc plasma deposition of smooth nanocrystalline diamond films. – Diamond and Related Materials, 1995, v. 4.
5. Gruen D. Nanocrystalline diamond films. – Ann. Rev. Mater. Sci., 1999, v. 29.
6. Lifshitz Y. Diamond-like carbon – present status. – Diamond and Related Materials, 1999, v. 8.
7. Агеев В., Буйлов Л., Конов В. и др. Взаимодействие лазерного излучения с алмазными пленками. – Доклады АН СССР, 1988, т. 303 (3).
8. Кононенко В., Кононенко Т., Пименов С. и др. Влияние длительности импульса на графитизацию алмаза в процессе лазерной абляции. – Квантовая электроника, 2005, т.35, № 23.
9. Кононенко В., Коменок М., Пименов С., Конов В. Фотоиндуцированное лазерное травление алмазной поверхности. – Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 11.
10. Сойфер В. Методы компьютерной оптики. – М.: Физматлит, 2003.
11. Kononenko V., Konov V., Pimenov S. et al. CVD-diamond transmissive optics for CO2-lasers. – New Diamond and Frontier Carbon Technology, 2000, v. 10, № 2.
12. Kononenko V., Pashinin V., Komlenok M., Konov V. Laser-induced modification of bulk fused silic by femtosecond pulses. – Laser Physics, 2009, v. 19 (6).
13. Kononenko T., Komlenok M., Meier M. et al. Microconstructing of diamond bulk by IR fmtosecond laser pulses. – Applied Physics, 2008, v. 90.
14. Kononenko T., Komlenok M., Pashinin V. et al. Femtosecond laser microconstructing in the bulk of diamond. – Diamond and Related Materials, 2009, v. 18.
15. Pimenov S., Shafeev G., Konov V., Loubnin E. Electroless metallization of diamond films. – Diamond and Related Materials, 1996, v. 5.
16. Yakovlev A., Vasilieva L., Shkuropatov A. et al. Mechanism of charge separation and stabilization of separated charges in reaction centres of Chloroflexus aurantiacus and of YM210W(L) mutants of Rhodobacter sphaeroides excited by 20 fs pulses at 90 K. – Journal of Physical Chemistry, 2003, v. 107.
17. Yakovlev A., Jones M., Potter J. et al. Primary charge separation between P* and BA: Electron-transfer pathways in native and mutant GM203L bacterial reaction centers. – Chemical Physics, 2005, v. 319.
18. Shuvalov V., Yakovlev A. Coupling of nuclear wave-packet motion and charge separation in bacterial reaction centers. – FEBS Letters, 2003, v. 540.
19. Шувалов В. Первичное преобразование световой энергии при фотосинтезе / Ред. Литвин Ф. – М.: Наука, 1990.
20. Karapetyan N., Schodder E., van Grondelle R., Decker J. The long wavelength chlorophylls of photosystem I. – Photosystem I. The light-driven plastocyanin: ferredoxin oxidoreductase / Ed. Golbeck J. Dordrecht: Springer, 2006.
Синтетический алмаз можно получать несколькими методами. Один из них – метод CVD (chemical vapor deposition) – базируется на технологии газофазного плазмохимического осаждения на горячую подложку алмазных пленок [1]. В качестве газовой среды применяют смесь водорода и титана, при этом зона осаждения может достигать десятков сантиметров, а температура подложки не превышать 1000о С. Другой метод – HPHT (high pressure high temperature) – предусматривает сжатие графитовой шихты при высоких значениях температуры и давления [2]. Добавление металлических катализаторов помогает синтезировать моно- и поликристаллические образцы с размерами до 5–10 мм. Применение HPHT-метода ограничено высоким содержанием азота и примесей в конечном продукте. После завершения процесса осаждения алмазная пластина или пленка отделяется от подложки. Применение монокристаллов алмаза в качестве подложки позволяет обеспечить эпитаксиальный рост пленок. Обнаружено, что при использовании моноизотопного углерода в метане для повышения качества CVD-алмазов его теплопроводность в поликристаллической форме превышает значения аналогичных показателей для природных монокристаллов [3].
Нанокристаллические алмазные пленки являются модификациями CVD-алмаза [4, 5]. Наноалмазные зерна диаметром 4–20 нм в матрице из полиацетилена и нанографита синтезируются при температурах, лежащих в диапазоне 400–600о С. Они имеют улучшенные значения оптической прозрачности, толщину до 20 мкм, шероховатость на уровне от 20 до 50 нм и высокую микротвердость – до 90 ГПа. Высокими значениями гладкости и твердости обладают алмазоподобные пленки, получаемые газофазным осаждением и вакуумным напылением [6].
Эффект термической графитизации алмаза применяется для изготовления бриллиантов [7,8]. Изучение спектров комбинированного рассеяния света, включая исследования электропроводности, подтверждают локальную графитизацию. При этом иногда проявляется вспученность участков поверхности, высота которой порой достигает десятков нанометров. Причина кроется в разной плотности графитизированного и алмазного материалов. Сканируя поверхность по контуру через фотошаблоны, можно формировать структуры проводящих дорожек и микро- и наноструктур на поверхности материала. Предварительное нанесение тонкопленочных покрытий на образец облегчает процесс его поверхностной графитизации.
При низкой интенсивности жесткого УФ-излучения возможна перестройка структуры алмаза: на поверхности появляются слабо связанные с решеткой алмаза кластеры и атомы углерода, удаляемые посредством реакции окисления при незначительном нагреве лазерными импульсами [9]. Многократное облучение в воздухе позволяет формировать на поверхности алмаза жестко контролируемые по глубине структуры глубиной до 10 нм.
При интенсивности, достаточной для испарения графитизированного слоя, наблюдается активная абляция алмаза, порог которой возрастает с увеличением длительности импульсов: от нескольких микрон за импульс для микросекундных импульсов до 50–100 нм/импульс для фемто- и пикосекундных импульсов. Особенностью абляции алмазных материалов является формирование фазового перехода "алмаз-графит" при отсутствии жидкой фазы в зоне и продуктах абляции. Важна минимизация влияния на качество лазерной обработки жидкой фазы материала – например, термокапиллярных волн на поверхности расплава и капель.
Графитизированный слой, который остается всегда на стенках и дне кратера по окончании действия импульса, препятствует повышению качества абляционного микроструктурирования поверхности. Его толщина эквивалентна толщине удаленного импульсом слоя алмаза. В этом случае облученная поверхность протравливается или окисляется, позволяя формировать на поверхности алмазных материалов субмикронные трехмерные структуры – например, дифракционные алмазные элементы – тонкие алмазные пластины с фазовым рельефом [10]. Получаемые алмазные оптические элементы обеспечивают трансформацию апертуры с заданным распределением энергии.
Эксимерные KrF-лазеры применяются для создания дифракционных алмазных элементов. Засвеченная квадратная диафрагма проецируется с десятикратным уменьшением в пятно 250 мкм2 на поверхность образца, расположенного на управляемом компьютером двухкоординатном подвижном столе. Поверхность сканируется лазерным лучом: специальной программой в каждую точку подается определенное число импульсов, перемещение осуществляется с шагом 50 мкм. Аналогично создаются элементы со сложноструктурированной поверхностью на базе алмаза и ряда иных материалов для микросистемотехники, электроники и интегральной оптики [11].
Перспективным направлением являются технологии формирования структур внутри объема твердого тела. Они опираются на принципы программирования перемещения области фокальной перетяжки внутри облучаемого объекта, фазовые и структурные превращения материала, острую фокусировку излучения, минимизацию вложенной энергии импульса, учет механизма включения нелинейного поглощения в области высокой мощности излучения в фокальном объеме, прозрачность материала для низкоинтенсивного излучения. Фокусировка излучения, подаваемого в виде мощных наносекундных импульсов, внутри объема кварца или стекла приводит к растрескиванию (разрушению) материала в окрестностях и внутри фокального объема. Рассеяние искусственного или дневного света на сформированных дефектах создает эффект появления белой непрозрачной области внутри прозрачного образца. Таким образом, сканируя внутреннюю область образца, в ней создают фигуры и тексты. При переходе к фемтосекундным импульсам лазерное воздействие затрагивает меньшую по размерам область внутри материала. Поэтому фемтосекундные лазеры применимы для создания пространственно-модулированных по оптическим свойствам и лазерно-активных фотонных кристаллов [12].
Получение графитизированных сфер (капель) при сдвиге положения фокального объема навстречу лазерному лучу приводит к синтезу графитизированных нитей и изогнутых нитевидных структур. При выходе на поверхность образца графитизированого материала можно его удалить путем химического травления с последующим формированием структур и каналов в объеме алмаза. Это дает пищу конструированию устройств и компонентов на базе алмаза с полупроводниковым (диэлектрическим) материалом – алмазной матрицей, электропроводящих графитизированных структур и полых каналов. Широкий спектральный диапазон прозрачности алмаза наряду с его высокой теплопроводностью позволяет конструировать различные метаматериалы и оптоэлектронные устройства [13, 14].
К числу технологий объемного микроструктурирования алмаза следует отнести комбинацию поверхностной лазерной обработки (например, электронным пучком) с химическим осаждением и повторяющимся CVD-процессом синтезирования алмаза. Данная технология – трехступенчатая [15]. Сначала из-за абляции алмазной поверхности на дне лазерного кратера образуется графитизированный слой. Затем в специальной ванне выполняется жидкостная металлизация поверхности образца. При этом на поверхности дорожки формируется структура "графитизированное покрытие – металлическая пленка". Перемещая затем образец в плазмохимический реактор, выполняют дополнительное осаждение CVD-алмаза. В итоге проводящая дорожка предстает в виде алмазной инкапсуляции.
Многократное повторение процедуры способствует формированию внутри CVD-алмаза многослойных проводящих структур. В частности, полупроводник p-типа может быть синтезирован из CVD-алмаза при соосаждении бора.
О первичных процессах фотосинтеза и фемтобиологии говорили в своих выступлениях академик В.А.Шувалов и д.ф.-м.н. О.М.Саркисов. Изучая бактериальные реакционные центры с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллов, научные группы под их руководством выявили расположение порядка 10 тысяч атомов хлорофилл-белкового комплекса, объединяющего 1 атом Fe, 2 молекулы менахинона (убихинона), 2 молекулы бактериофеофитина, 3 белковые субъединицы и 4 молекулы бактериохлорофилла. В последние годы в лабораториях учеными РФ был установлен факт формирования колебательного ядерного волнового пакета при возбуждении ультракороткими лазерными импульсами в 20 фс первичного донора электрона. Когерентное движение пакета по потенциальной поверхности возбужденного состояния сопряжено с быстрыми начальными реакциями переноса электрона [16, 17]. Направленность и эффективность первичного разделения зарядов реакционных центров является следствием сочетания ряда факторов. Среди них можно отметить некогерентное изменение ядерных координат за счет переориентации гидроксильной группы тирозина и когерентный перенос электрона к первичному акцептору от возбужденного первичного донора электрона. Кинетика переноса электрона на первичный акцептор с первичного донора в реакционных центрах пурпурных бактерий характеризуется двумя временными константами – 4,3 пс (20%) и 1,1 пс (80%) [17, 18].
В фотосинтетических реакционных центрах пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides методом фемтосекундной спектроскопии выявлена интересная зависимость. Оказалось, что наблюдаемое увеличение поглощения при 1080 нм и излучение с максимумом при 935–940 нм идентифицируют процесс разделения зарядов между молекулами бактериохлорофиллов. При использовании импульса света продолжительностью 20 фс в случае образования волновых пакетов происходит перенос электрона на последующий акцептор.
Цианобактерии, водоросли и зеленые растения используют фотосистему – хлорофилл-белковый комплекс, применяемый для восстановления ферредоксина энергию света [19, 20]. Рентгеноструктурный анализ с разрешением 0,25 нм комплекса фотосистемы цианобактерий Synechococcus elongates подтверждает наличие в ней 127 кофакторов и 12 белковых субъединиц. Подавляющее большинство молекул хлорофилла используются как антигенные пигменты, главной целью которых является поглощение светового возбуждения с его переносом в реакционный центр в середине комплекса фотосистемы. Применение линейно-поляризованного света для зондирования и накачки способствует появлению в дифференциальном спектре полосы при 660 нм.
Доклад члена-корреспондента РАН И.А.Щербакова затрагивал различные аспекты применения лазерной техники в медицине. Использование импульсных лазеров при воздействии на биоткань определяется целой совокупностью факторов. Среди них отмечают длительность импульса излучения с учетом термического и нетермического воздействия, плотность энергии и длину волны. Большой диапазон изменения длительности импульса способствовал повышению интереса к изучению различных явлений, в т.ч. генерации и распространению ударных волн, оптическомупробою на поверхности мишени, образованию и развитию плазмы и многофотонному поглощению.
Применяемый в медицинских приборах механизм разрушения камней является многостадийным нелинейным процессом. После поглощения зеленой компоненты излучения на поверхности камня возникает оптический пробой, который сопровождается образованием плазменной искры и поглощением плазмой ИК-излучения. Образование и развитие кавитационных пузырей связано с генерацией слабой ударной волны, предшествующей мощной ударной волне при коллапсе кавитационного пузыря. Представленный метод литотрипсии приводит не только к радикальному снижению числа осложнений и сокращению послеоперационного периода лечения. Отмечают высокую скорость фрагментации – продолжительность разрушения варьируется в диапазоне 10–79 с, все зависит от механической прочности и твердости камней. Также необходимо отметить безопасность воздействия на окружающие мягкие ткани (ударная волна ими не поглощается и не наносит им вреда). Отсутствие повреждения волоконного инструмента при доставке излучения и высокая эффективность при фрагментации камней разной локализации и различного химического состава – дополнительные преимущества метода. Например, комплекс "Лазурит" включает скальпель-коагулятор, используемый для проведения операций на кровенаполненных органах. Резекция опухолей производится без пережатия почечных сосудов с минимальной кровопотерей. Лапароскопический доступ позволяет одновременно проводить гемостаз и резекцию опухоли с достижением абластичности раны.
Офтальмологическая система "Микроскан" для рефракционной хирургии (коррекция астигматизма, дальнозоркости и близорукости) на базе ArF-эксимерного лазера с длиной волны излучения 193 нм создана в Институте общей физики (ИОФ) РАН. При частоте повторения импульсов 300 Гц коррекция зрения на одну диоптрию занимает 5 с, поскольку излучение с длиной волны 193 нм интенсивно поглощается глазной роговицей. Более 40 клиник РФ оснащены установкой "Микроскан", порядка 55% внутреннего рынка занимают разработанные в ИОФ РАН офтальмологические эксимерные системы для рефракционной хирургии.
Фемтосекундный лазер "Фемто Визум", разработанный Центром физического приборостроения ИОФ РАН, предназначен для интрастромальной обработки роговицы с длительностью импульса от 250 до 400 фс и длиной волны излучения 1,054 мкм. Принцип действия основан на многофотонном поглощении и фотодеструкции тканей роговицы. Прибор применяется как прецизионный скальпель для микроразрезов внутри роговицы без влияния на ее поверхностные слои, для послойного расслоения роговицы вместо микрокератома, для кератопластики и создания интрастромальных каналов.
МНТК "Микрохирургия глаза", Центром физического приборостроения ИОФ РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова и Институтом проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАН при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям разработаны офтальмологический комплекс, состоящий из диагностической аппаратуры (в т.ч. сканирующего офтальмоскова и аберрометра), фемтосекундный комплекс "Фемто Визум" и модернизированная установка "Микроскан Визум".
Для фотодинамической диагностики и терапии рака также применяется лазер: монохроматическое излучение инициирует фотохимические реакции с биологическими преобразованиями в тканях. Из расчета – доза введенного на 1 кг веса пациента фотосенсебилизатора колеблется от 0,2 до 2 мг. Вводимый в организм больного фотосенсебилизатор накапливается преимущественно в опухоли. Последующая флуоресценция указывает на место ее локализации. При увеличении мощности излучения образуется синглетный кислород, разрушающий опухоль. Поскольку введение фотосенсибилизатора может иметь побочные эффекты, нередко применяется метод лазерно-индуцированной аутофлуоресценции. В ряде случаев флуоресцируют именно клетки опухоли, в то время как у здоровых этот эффект не наблюдается. В ИОФ РАН изготовлено свыше 200 экземпляров приборов для фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностики. Более 150 приборов расположены в научных центрах и клиниках российской столицы, порядка 20 – в других регионах РФ. Около 50 находятся в зарубежных медцентрах.
Выступление заведующего кафедрой Воронежского государственного университета академика В.М.Иевлева было посвящено фотонной активации синтеза наноструктур. Рассматривался синтез пленок карбида вольфрама и CuInSe2, ориентированных наноструктурированных пленок SiC на Si, контактно-металлизированных систем СБИС на основе пленок силицидов титана, нанокристаллических пленок SiC на SiO2 и оксидирование пленок с гетероструктурой Ti/SiO2/Si и металлов (Ti/фторфлогопит).
Литература
1. Spitsin B., Bouilov L., Derjaguin B. Vapor growth of diamond on diamond and other surfaces. – Journal of Crystal Growth, 1981, v. 52.
2. Burns R., Hansen J., Spits R. et al. Growth of high purity large synthetic diamond crystal. –Diamond and Related Materials, 1999, p. 1433.
3. Инюшкин А., Ральченко В., Талденков А. и др. Значительный рост теплопроводности поликристаллического CVD-алмаза при изотопном обогащении. – Краткие сообщения по физике. ФИАН, 2007, № 11.
4. Konov V., Smolin A., Ealchenko V. et al. D.C. arc plasma deposition of smooth nanocrystalline diamond films. – Diamond and Related Materials, 1995, v. 4.
5. Gruen D. Nanocrystalline diamond films. – Ann. Rev. Mater. Sci., 1999, v. 29.
6. Lifshitz Y. Diamond-like carbon – present status. – Diamond and Related Materials, 1999, v. 8.
7. Агеев В., Буйлов Л., Конов В. и др. Взаимодействие лазерного излучения с алмазными пленками. – Доклады АН СССР, 1988, т. 303 (3).
8. Кононенко В., Кононенко Т., Пименов С. и др. Влияние длительности импульса на графитизацию алмаза в процессе лазерной абляции. – Квантовая электроника, 2005, т.35, № 23.
9. Кононенко В., Коменок М., Пименов С., Конов В. Фотоиндуцированное лазерное травление алмазной поверхности. – Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 11.
10. Сойфер В. Методы компьютерной оптики. – М.: Физматлит, 2003.
11. Kononenko V., Konov V., Pimenov S. et al. CVD-diamond transmissive optics for CO2-lasers. – New Diamond and Frontier Carbon Technology, 2000, v. 10, № 2.
12. Kononenko V., Pashinin V., Komlenok M., Konov V. Laser-induced modification of bulk fused silic by femtosecond pulses. – Laser Physics, 2009, v. 19 (6).
13. Kononenko T., Komlenok M., Meier M. et al. Microconstructing of diamond bulk by IR fmtosecond laser pulses. – Applied Physics, 2008, v. 90.
14. Kononenko T., Komlenok M., Pashinin V. et al. Femtosecond laser microconstructing in the bulk of diamond. – Diamond and Related Materials, 2009, v. 18.
15. Pimenov S., Shafeev G., Konov V., Loubnin E. Electroless metallization of diamond films. – Diamond and Related Materials, 1996, v. 5.
16. Yakovlev A., Vasilieva L., Shkuropatov A. et al. Mechanism of charge separation and stabilization of separated charges in reaction centres of Chloroflexus aurantiacus and of YM210W(L) mutants of Rhodobacter sphaeroides excited by 20 fs pulses at 90 K. – Journal of Physical Chemistry, 2003, v. 107.
17. Yakovlev A., Jones M., Potter J. et al. Primary charge separation between P* and BA: Electron-transfer pathways in native and mutant GM203L bacterial reaction centers. – Chemical Physics, 2005, v. 319.
18. Shuvalov V., Yakovlev A. Coupling of nuclear wave-packet motion and charge separation in bacterial reaction centers. – FEBS Letters, 2003, v. 540.
19. Шувалов В. Первичное преобразование световой энергии при фотосинтезе / Ред. Литвин Ф. – М.: Наука, 1990.
20. Karapetyan N., Schodder E., van Grondelle R., Decker J. The long wavelength chlorophylls of photosystem I. – Photosystem I. The light-driven plastocyanin: ferredoxin oxidoreductase / Ed. Golbeck J. Dordrecht: Springer, 2006.
Отзывы читателей
