Hierarchical imaging of the dynamics during pulsed laser ablation in liquids
Creators: name: Reich, Stefan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019

description: Mittels gepulster Laserablation in Flüssigkeiten (Pulsed Laser Ablation in Liquids, PLAL) ist es möglich, Nanopartikel (NP) herzustellen, die direkt in der Flüssigkeit dispergiert und nicht durch verbliebene Tenside oder Reaktanden verunreinigt sind. Nach der Laseranregung des Targets bildet sich eine millimetergroße Kavitationsblase, in der die NP verteilt und größtenteils gefangen sind. In dieser Arbeit werden
die fundamentalen Prozesse während PLAL mit einer Reihe von komplementären Messtechniken und hierarchischer in situ Bildgebung untersucht.
Die Laser-Materie-Wechselwirkung wird durch optische Abbildung der Kavitationsblase und des gezündeten Plasmas in Kombination mit Absorptionsspektroskopie untersucht. Es wird eine direkte Korrelation zwischen diesen drei Parametern gezeigt, die es erlaubt, indirekte Rückschlüsse auf den Ablationsprozess zu ziehen. Der Inkubationseffekt, der bei unversehrten Targets auftritt, und das Vorhandensein einer Plasma-Schwellfluenz zeigen, dass für eine effiziente Ablation entweder vorbestrahlte Targets oder Fluenzen oberhalb der Schwelle erforderlich sind. Eine Ablation mit geringen Fluenzen auf unversehrten Targets führt zu starken Verlustmechanismen, was in einer stark reduzierte Energielokalisation und damit niedrigen Ablationsrate resultiert. Es wird gezeigt, dass die für eine stabile und effiziente Ablation erforderliche Energiedosis von Materialparametern wie dem Elastizitätsmodul und der für die Materialerwärmung und -verdampfung erforderlichen Enthalpie abhängt. Sobald die PlasmaSchwellfluenz überschritten wird, haben die Materialparameter jedoch nur noch einen geringen Einfluss. Bei der Nanosekunden-Laserablation oberhalb der Schwellfluenz wird der größte Teil der Pulsenergie vom Plasma absorbiert. Unterhalb der Schwellfluenz dominieren die Verlustmechanismen, was zu einer stark reduzierten Ablationseffizienz führt.
Für den in situ Nachweis von NP während der Lebensdauer der Kavitationsblase werden Röntgenstreumethoden verwendet. Die NP-Größenverteilung wird mit hoher zeitlicher Auflösung mittels Röntgen-Kleinwinkelstreuung (Small-angle X-ray Scattering, SAXS) untersucht, während RöntgenWeitwinkelstreuung (Wide-angle X-ray Scattering, WAXS) zur Messung der kristallinen Domänengröße verwendet wird. Das frühe Auftreten von großen NP mit großen Kristalldomänengrößen bestätigt die jüngsten Modelle des Ablationsprozesses. Die multimodale NP-Größenverteilung wird direkt durch Filmabhebung und Rayleigh-Instabilitäten auf der flüssigen Metalloberfläche hervorgerufen. Darüber hinaus bestätigt die zeitliche Verteilung der NP, dass sich NP an oder sogar vor der Kavitationsblasengrenze befinden, sowie die nahezu homogene Füllung der Blase mit NP. Zwei verschiedene Mechanismen der Entstehung von großen NP werden ebenfalls identifiziert. Sphärische NP entstehen direkt aus der Schmelze, während die Agglomeration von kleinen NP hauptsächlich während des Blasenkollapses stattfindet.
Ein Multiplexing der SAXS-Messungen, um direkt ein 2D-Bild der NP-Verteilung zu erhalten, erfolgt durch Hartmann-Blenden artiger Multikontrast-Bildgebung. Zu diesem Zweck wird ein breiter Röntgenstrahl durch eine maßgeschneiderte Hartmann-Blende beziehungsweise die neu entwickelten gestapelten Röntgenlinsenarrays (Compound Array Refractive Lenses, CARLs) in ein 2D-Array von Teilstrahlen aufgeteilt. Für die hierarchische Abbildung des Ablationsprozesses werden die Kontraste Transmission und Streuung dieser Einzelbild Multikontrast-Bildgebung (Single-Exposure Multi-Contrast Imaging, SEMCI) verwendet. Die in situ Größenreduktion von NP aus Gold mit anorganischen Elektrolyten und makromolekularen Liganden wird untersucht. Es wird gezeigt, dass die Mechanismen der Größenreduktion der beiden Additive unterschiedlich sind. Elektrolyte wirken in situ in der Kavitationsblase, während Liganden dies nicht tun. Durch die Änderung der Streuempfindlichkeit von NP auf den Mikrometerbereich wird die Zusammensetzung der zweiten Blasenoszillation einer Ablation an einem freien Draht geklärt. Diese vom Draht losgelöste zweite Oszillation besteht aus mikrometergroßen Blasen und enthält keine signifikanten Mengen an NP mehr.
Die Röntgeneffizienz der SEMCI wird verbessert, indem die üblicherweise verwendeten HartmannBlenden durch Linsenarrays ersetzt werden. Diese CARLs werden durch Prägen von 2D-Arrays mit 100×100 konkaven Linsen in Polymerfolien hergestellt. Die Linsenabstände liegen bei 50 µm und die Scheitelradien der Parabollinsen bei 8 µm. Die Positioniergenauigkeit der Teilstrahlen ist geringer als 1 µm. Durch das Stapeln von bis zu sechs Linsenarray-Folien werden Brennweiten zwischen 60 cm und 125 cm bei Röntgenenergien von 9 keV erreicht. Die maximale Sichtbarkeit beträgt etwa 0,5. Neben der NP-Detektion durch den Streukontrast kann auch die Wellenfrontverzerrung durch Proben oder Röntgenoptiken mit einer Auflösung von 0,2 µrad analysiert werden.