Double-pulse laser atomic emission spectroscopy of gallium-based functional coatings

Authors

  • Ksenia F. Ermalitskaia Belarusian State University, 4 Niezaliezhnasci Avenue, Minsk 220030, Belarus
  • Аnna V. Markovskaia Belarusian State University, 4 Niezaliezhnasci Avenue, Minsk 220030, Belarus
  • Ulyana K. Shcherba Belarusian State University, 4 Niezaliezhnasci Avenue, Minsk 220030, Belarus

Keywords:

laser atomic emission spectroscopy, spectral analysis of gallium-based coatings, double laser pulses, laser ablation

Abstract

The capabilities of laser atomic emission spectroscopy (laser-induced breakdown spectroscopy) for layer-by-layer elemental microanalysis of gallium-based materials and thin functional coatings was studied. Double-pulse laser ablation of gallium and gallium-based coatings was investigated to determine the optimal laser parameters for conducting precise depth profiling. To study pure gallium a sample preparation method involving the application of a metal droplet onto a refractory tungsten substrate followed by cooling with liquid nitrogen for solidification was developed. The proposed methodology was successfully adapted for the analysis of ultrathin galvanic gallium chloride (GaCl3) coating on a steel substrate (thickness of approximately 5.0 μm) and gallium sulfate (Ga2(SO4)3) coating on a silicon substrate (thickness of approximately 0.5 μm). It was shown that with modified parameters (defocusing +10 mm, energy 65 mJ) one pair of double pulses evaporates a layer GaCl3 coating on steel with a thickness of about 0.30 µm and a layer of Ga2(SO4)3 coating on steel with a thickness of about 0.08 μm, and the nature of the dependence of the intensity of spectral lines on the pulse number curves allows for the assessment of the substrate microrelief.

Author Biographies

  • Ksenia F. Ermalitskaia, Belarusian State University, 4 Niezaliezhnasci Avenue, Minsk 220030, Belarus

    PhD (physics and mathematics), docent; associate professor at the department of laser physics and spectroscopy, faculty of physics

  • Аnna V. Markovskaia, Belarusian State University, 4 Niezaliezhnasci Avenue, Minsk 220030, Belarus

    student at the faculty of physics

  • Ulyana K. Shcherba, Belarusian State University, 4 Niezaliezhnasci Avenue, Minsk 220030, Belarus

    student at the faculty of physics

References

  1. Евстропьев АА, редактор. Галлий: аналитическая химия, технология и применение. Москва: Наука; 2019. 512 с.
  2. Иванова РВ. Химия и технология галлия. Москва: Металлургия; 1973. 391 с.
  3. Agarwal R, Abdulmajeed M. Gallium-based liquid metals as smart responsive materials: morphological forms and stimuli characterization. Advances in Colloid and Interface Science. 2024;329:103183. DOI: 10.1016/j.cis.2024.103183.
  4. Wang H, Chen S, Zhu X, Yuan B, Sun X, Zhang J, et al. Phase transition science and engineering of gallium-based liquid metal. Matter. 2022;5(7):2054 –2085.
  5. Ding Y, Zeng M, Fu L. Surface chemistry of gallium-based liquid metals. Matter. 2020;3(5):1477–1506. DOI: 10.1016/j.matt.2020.08.012.
  6. Воропай ЕС, Гулис ИМ, Тарасов ДС, Ермалицкая ЕФ, Самцов МП, Радько АЕ и др. Лазерный атомно-эмиссионный спектрометр с ахроматической оптической системой. Журнал прикладной спектроскопии. 2021;88(3):486 – 492.
  7. Воропай ЕС, Ермалицкая КФ, Тарасов ДС, Самцов МП, Шевченко КА, Кирсанов АА. Спектральный анализ образцов двухимпульсным лазерным атомно-эмиссионным спектрометром с ахроматической оптической системой. В: Килин СЯ, редактор. Сборник научных трудов VII конгресса физиков Беларуси; 26–28 апреля 2023 г.; Минск, Беларусь. Минск: Ковчег; 2023. с. 69 –70.
  8. Ермалицкая КФ, Воропай ЕС, Тарасов ДС. Исследование механизмов возбуждения спектральных линий в абляционной плазме с помощью двухимпульсного спектрометра ЛАЭМС. В: Ризноокая НН, редактор. Приборостроение-2021. Материалы 14-й Международной научно-технической конференции; 17–19 ноября 2021 г.; Минск, Беларусь. Минск: Белорусский национальный технический университет; 2021. с. 411– 412.
  9. Voropay ЕS, Ermalitskaia KF, Zajogin AP. Methods and apparatus for layerwise atomic emission analysis of materials and products with nanometer resolution. In: Belarusian National Technical University. Photonics: science into production. Proceedings of Belarus – China forum; 2013 December 12–13; Minsk, Belarus. Minsk: Belarusian National Technical University; 2023. p. 52–56.
  10. Ермалицкая КФ. Управление плотностью мощности лазерного излучения при двухимпульсной лазерной абляции металлов. В: Ризноокая НН, редактор. Приборостроение-2021. Материалы 14-й Международной научно-технической конференции; 17–19 ноября 2021 г.; Минск, Беларусь. Минск: Белорусский национальный технический университет; 2021. с. 409 – 410.
  11. Ермалицкая КФ, Щерба УК, Марковская АВ. Элементарный анализ покрытий и тонких слоев металлов методом двухимпульсной лазерной атомно-эмиссионной спектроскопии. В: Свистун АИ, Гусев ОК, Воробей РИ, Князев МА, Серенков ПС, Маляревич АМ и др., редакторы. Приборостроение-2025. Материалы 18-й Международной научно-технической конференции; 13 –15 ноября 2025 г.; Минск, Беларусь. Минск: Белорусский национальный технический университет; 2025. с. 138 –139.
  12. Zeng X, Ermalitskaia KF. Plasma-laser radiation interaction during dual-pulse laser ablation of metals and alloys. В: Кугейко ММ, Афоненко АА, Баркова АВ, редакторы. Квантовая электроника. Материалы XIV Международной научно-технической конференции; 21–23 ноября 2023 г.; Минск, Беларусь. Минск: БГУ; 2023 с. 366 –370.
  13. Ермалицкая КФ, Красноперов НН, Воропай ЕС, Зажогин АП. Исследование влияния типа расфокусировки лазерного пучка на процессы формирования на поверхности титана оксидов при ее сканировании сериями сдвоенных лазерных импульсов в атмосфере воздуха. В: Углов ВВ, редактор. Взаимодействие излучений с твердым телом. Материалы 16-й Международной конференции; 22–25 сентября 2025 г.; Минск, Беларусь. Минск: БГУ; 2025. с. 59 – 62.

Downloads

Additional Files

Published

2026-03-25

Issue

No. 1 (2026): Journal of the Belarusian State University. Physics

Section

Optics and Spectroscopy

License

Copyright (c) 2026 Journal of the Belarusian State University. Physics

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

The authors who are published in this journal agree to the following:

  1. The authors retain copyright on the work and provide the journal with the right of first publication of the work on condition of license Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. The authors retain the right to enter into certain contractual agreements relating to the non-exclusive distribution of the published version of the work (e.g. post it on the institutional repository, publication in the book), with the reference to its original publication in this journal.
  3. The authors have the right to post their work on the Internet (e.g. on the institutional store or personal website) prior to and during the review process, conducted by the journal, as this may lead to a productive discussion and a large number of references to this work. (See The Effect of Open Access.)

How to Cite

(1)
Ermalitskaia, K. F.; Markovskaia А. V.; Shcherba, U. K. Double-Pulse Laser Atomic Emission Spectroscopy of Gallium-Based Functional Coatings. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2026, No. 1, 26-34. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2026-1-%p.
Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC