La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1 Mécanismes dablation laser en régime femtoseconde à flux modéré Tatiana ITINA Laboratoire Hubert Curien (LaHC UMR CNRS 5516 ) 18 rue Prof. Benoît Lauras,

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1 Mécanismes dablation laser en régime femtoseconde à flux modéré Tatiana ITINA Laboratoire Hubert Curien (LaHC UMR CNRS 5516 ) 18 rue Prof. Benoît Lauras,"— Transcription de la présentation:

1 1 Mécanismes dablation laser en régime femtoseconde à flux modéré Tatiana ITINA Laboratoire Hubert Curien (LaHC UMR CNRS 5516 ) 18 rue Prof. Benoît Lauras, Bat. F, Saint Etienne, France JPU 2009, avril 2009 LP3 UMR 6182 CNRS (Marseille) University of Virgina, Penn State University, (USA) IHED, Ras, Moscou (Russie)

2 2 Régime femtoseconde à flux modéré -Applications industrielles : micro-usinage, nano- et micro-photonique, marquage, nanotechnologie, bio- photonique, capteurs, nanoparticules pour la médicine, etc… -Les effets thermiques peuvent être minimisés (contrôle dénergie absorbée) - Les agrégats peuvent être formés même sous vide

3 3 Processus physiques mis en jeux -absorption (Drude, inter bande) pour les isolants: ionisation (multi-photonique, photo-abs, absorption sur les defaults) -relaxation (el-el, el-ph, avalanche, STE, recombinaison autres…) -photoémission -modification structurelles (defaults, fusion, densification,…) -effets thermiques (changements des phases: fusion, évaporation, explosion des phases) -effets mécaniques (spallation, ondes des chocs, ondes de détente, fragmentation) -structuration de surfaces («ripples», « spikes », «cônes») -éjection de la matière (formation dun panache plasma, agrégats) temps de relaxation => pas d'équilibre e-ph ou e-i

4 4 Problèmes : -Contrairement au régime à haut flux, le plasma nest pas formé directement. La matière passe par les états tels que -Matière dense et chaude (WDM) ; les électrons sont chauds, mais leur nombre nest pas suffisant pour chauffer le réseau (diélectriques); la matière peut être fondue; -Transitions des phases: solide-liquide, liquide-plasma (hors équilibre !) -Les théories existent pour les phases solides et plasmas. Liquide ? Zone de la transition ? => Les coefficients (tels que le paramètre du couplage e-ph, e-i, la conductivité thermique, etc…) ne sont pas bien connus et varient avec Te !

5 5 Transport électronique -ab-initio (DFT, Schrödinger) => petits systèmes basse T Liquide de Fermi =>dans un solide - équation de Boltzmann (approximation du temps de la relaxation ) =>dans un gaz - approche continue =>Transport hydro, valable si les gradients ne sont pas grands (dL>1µm) -ex: modèle de Lee and More pour un plasma dense (Te=Ti) -ex: modèle H. M. van Driel pour Si (Te>Ti) -ex: modèle P. B. Allen pour métaux

6 6 Métaux vs diélectriques ? ? excitation forteModel à deux températures (TTM) peut être utilisé excitation faible délai à cause dun gaz délectrons non- thermalisé Transport est-il affecté par labsence déquilibre? transport « balistique » Équations du transport bulk couches minces Approche cinétique METAUX: DIELECRIQUES Hypothèses: cristal idéale, bands paraboliques Approches : -équation de Boltzmann (intégrale de collisions ?!) -équation cinétique dionisation dérivée par Stuart et Feit -approche basée sur la fréquence de collisions (Penano et al.)

7 7 Interactions avec des cibles métalliques ne décrit pas le mouvement de la matière Les coefficients ne sont pas connus 1. Modèle à deux températures (TTM ) 2. Modèles basé sur la dynamique moléculaire (TTM, TTM-MD ) utilisé pour le fusion et ablation près du Fth problèmes de changement de potentiel dinteraction 3. Modèles hydro à 2T problèmes dabsence déquilibre, du passage solide-plasma, EOS, etc.

8 8 T. E. Itina, L. V. Zhigilei, B. J. Garrison, J. Phys. Chem.B, 106, (2002) Processus sont hors-équilibre =>difficiles pour la modélisation classique -Photo-thermique (explosion des phases) et/ou -Photo-mécanique (spallation) Mélange dun gaz et de nano-agrégats (la taille augmente à larrière du panache) Laser picoseconde : dynamique moléculaire Cibles: matrices moléculaires, métaux

9 9 Paramètres ??? Collisions e-ph ? ?? Modèle couplé TTM - MD (Ivanov et Zhigilei) ?

10 10 Echange électron-phonon Modèles ab initio ! Ab initio method for calculating e-ph scattering times in semiconductors… J. Sjakste, N. Vaste, V. Tyuterev, PRL (2007) => ps for GaAs Electron-phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron-phonon nonequilibrium, Z. Lin et al. PRB, (2008)

11 11 NiAl Couplage électron-phonon, G Z. Lin et L. V. Zhigilei, PRB, 2008 Excitation délectrons : bande 5d

12 12 Rôle du DOS & conséquances Conséquences: Températures de la surface, émission délectrons Fluence seuil de la fusion de de lablation Contraintes mécaniques Le taux des transformations des structures induites par laser PtW TiCu Verification ??? Modèle TTM-QMD ? (S. Mazevet)

13 13 Fusion des couches d Al : TTM-MD Experience Siwick et al. Science 302, 1382, 2003 Fluence: 70 mJ/cm 2, réflectivité 88% disorientation à ~3.5 ps Simulation (même conditions) Fusion homogène à 3 ps (début à ~1.5 ps) Assez bon accord Z. Lin, et al.Phys. Rev. B 73, , ps 2 ps3 ps

14 14 D = k B Te /e Voire: Van Driel et al., N. Bulgakova Cibles semi-conducteurs

15 15 Photoemission Metals (Au): Semiconductors (Si): Dielectrics (Al 2 O 3 ):

16 16 Modélisation de lablation =>modèles hydrodynamiques Absorption (Helmholtz, FDTD, Maxwell) Couplage e-ph, e-i => modèles ab-inition ? Conductivité => modèles empirique EOS (QEOS, SESAME, Lee and More/Thomas-Fermi), transition des phases (métastables ?) Fréquence de collisions (Spitzer, etc..) Equation du transport (mass, P, énergie) Conservation (mass, P, énergie) Ionisation Radiation Agrégats EOS Présence dun gaz => ???

17 17 Fonction diélectrique Index de réfraction Absorption 1. Modèle de Drude (flux modéré) 2. Equations de Maxwell ou dHelmholtz (tient compte du mouvement) 3. Modèles plus détaillés tenant compte de transitions intra-bande, de la propagation du champs, etc. (Colombier et al., LaHC, St Etienne) + loi de Lambert Fréquence de collisions ? Couplage électron-phonon ? Debay => solide; Spitzer => plasma Autres ? + équations de Fresnel

18 18 Fréquence de collisions -absorption -couplage e-ph -diffusion de la chaleur -et quand Te>>Ti ? -phase liquide ??? Les collisions déterminent => (e-e, e-ph, e-imp) J.-Ph. Colombier et al., PRE 2008

19 19 Conductivité électronique S. Anisimov and B. Rethfeld,On the theory of ultrashort laser pulse interaction with the metal. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. (USA) 3093, (2002). An electron conductivity model for dense plasmas, Y. T. Lee and R. M. More, Phys. Fluids 27 (5), 1273 (1984) => basé sur léquation de Boltzmann Heat transport in metals irradiated by ultrashort laser pulses, Kanavin et al, PRB 57 (23) 1998 => conductivité en fonction de Te, Ti Thermal conductivity and electron-phonon relaxation in a metal heated by subpicosecond laser pulses, Yu. V. Petrov and S. I. Anisimov, J. Opt. Technol. 73 (6), 2006, p. 368 => analogie à la loi de Wiedemann-Frantz

20 20 L = 100 fs, = 800 nm, F = 5 J/cm 2 Explosion des phases Fragmentation 0.9Tc « liquide metastable »

21 21 Ablation depth vs. fluence Experiment: M. Hashida et al. SPIE Proc. 4423, 178 (2001). J. Hermann et al. Laser Physics 18(4), 374 (2008). Povarnitsyn et al., Proc. SPIE 7005, (2008) Si Te> Ec~5 eV => Les liaisons nexistent plus => Fusion ou Ablation ? B. Chimier et al., E. Gamaly, E-MRS 2008

22 22 Cible dAl. Densité du panache calculée pour = 800 nm. La durée dimpulsion est 100 fs, la fluence laser est 5 J /cm², le rayon de la tache focale est 100 µm. Expansion dun panache Modèle Combiné Hydro 1D + Hydro 2D Modèle Combiné Hydro 1D +SDMC Densité du panache en fonction de la distance pour trois délais différents 24 ns 44 ns Onde de détente => distribution de la densité du panache

23 23 Formation dagrégats Couplage: - Direct Simulation Monte Carlo - Dynamique Moléculaire En collaboration avec University of Virginia, USA Information détaillée -Continu du panache -Distribution en taille des agrégats Gouriet, thèse (2008, Marseille) Laser

24 24 R é sultats num é riques cluster number density monomer number density R é sultats exp é rimentaux (No ë et al.l) 200 ns 400 ns 5 µs 10 µs F las = 4 Jcm -2 (mm) fs F=4 J/cm2 t= 50 ns, 15 ps, F=61 J/m2, R=10 µm T. E. Itina, K. Gouriet, L. V. Zhigilei, S. Noel, J. Hermann, and M. Sentis, Appl. Surf. Sci., 253, (2007) Laser DM-SDMC

25 25 Cibles diélectriques Ionisation multiphotonique Ionisation par e- impcte (avalanche) Alternatives: => Equation de Boltzmann (ex:=> B. Rethfeld), Monte Carlo Ablation: explosion Coulombienne et/ou décomposition ??? Ionisation et absorption: cinétique Absoption intrabande par électrones libres + ou FDTD, NLSE

26 26 Ionisation + Propagation + TTM +… - recombinaison - désexcitation - STE propagation + TTM ? Fonction diélectrique :

27 27 Defaults et STEs ! Constats expérimentaux !? Système dEDP Ordre 3 aux temps courts avec temps de relaxation indépendant de lintensité laser Ordre 1 aux temps longs avec temps de relaxation dépendant de lintensité laser Effet isotopique σ c EI 1 EI 2 Relaxation rapide Relaxation lente BV BC Exciton Réarrangement global du réseau temps nm, G. Duchateau

28 28 Modèles davalanche -1. Feit, Stuart: « flux doubling » => coefficient =const -2. Modèle de Rethfeld -3. Penano: basé sur le taux de collision et la distribution Maxwellienne de vitesse des électrons (voir B. Chimier)

29 29 MPI /Tunnel, Rethfeld, =50 fs Variation de lintensité crête: => Augmentation non-linaire avec lintensité crête W/cm 2 Simulation Expérience Li et al. PRL 82 (11), 2394 (1999) t =25 fs Plasma radiation from the breakdown region claquage

30 30 Choix entre MPI et Tunnel ( Keldysh) =30 fs, I cête =0.6x10 12 W/cm 2, avalanche parameter =const => Le paramètres de Keldysh varie => MPI / tunnel => « field ionization » ( FI) varie

31 31 Absorption : différentes situations impulsion longueimpulsion longue intensité faibleintensité faible pulses plus courts pulses plus courts intensité plus élevée intensité plus élevée En fonction de la durée dimpulsion et de lintensité crête, soit la fraction majeure dénergie est transmise soit réfléchie. absorption de quelques %

32 32 Profondeur ablatée Augmentation de lintensité crête => cratères aplaties ? Validation => la présentation de B. Chimier T. E. Itina, M. Mamatkulov, M. Sentis, Optical Engineering, 44(5), , (2005) E crit =3.2*10 10 J Profondeur d ablation calcul é e avec les deux crit è res d ablation

33 33 –Calcul de lénergie laser déposée à laide de la résolution des équations de Maxwell prenant en compte lionisation multiphotonique –Calcul de la formation laide du code dhydrodynamique à deux températures Modélisation en deux étapes Antoine BOURGEADE, et al. CEA, Bordeaux

34 34 Formation des structures périodiques La polarisation, le nombre dimpulsions, lintensité, la présence dun gaz, sa nature, létat de la surface irradiée définissent les structures -modèle de Sipe (état de surface, polarisation, longueur donde, angle dincidence) => interférence, modèle « classique » -plasmons de surface (métaux) -modèle électromagnétique (A. Tishchenko => analogie réseaux ) -instabilités, feed-back (V. Tokarev) -effets capillaires (E. Mazur) -modèle érosion/diffusion, (J. Reif) -modèle « cônes de neige » -ondes plasma -defaults, « spikes » -modèle basé sur SHG (Bonse, 2009) etc… Couplage dun module électromagnétique, +Ionisation + un module thermomécanique

35 35 Leveugle,et a. JAP 102, L. Zhigilei V. N. Tokarev B. J. Garrison, A. Delcorte, L. V. Zhigilei, T. E. Itina, et al. Appl. Surf. Sci., , 69-71(2003) Ejection: particules et/ou « fibres »

36 36 =>Il est important de tenir compte de la variation de la section efficace (Keldysh) Le modèle de Stuart et Feit surestime leffet davalanche par rapport aux résultats données par le modèle de Rethfeld Rôle de la durée dimpulsion et de lintensité crête Importance de lhistorique dexcitation Couplage de modèles ! (ex.: C. Mézel et al. « Formation de nano-cavités… »)

37 37 Définition des coefficients du transport G(T), k e (T), T e >>T i Vérifications des modèles (photoémission, G(T), etc…) Amélioration des EOS, transitions des phases Modèle dabsorption dans les diélectriques ? Les pertes: excitons, recombinaisons => où lénergie va ? Modification dindice de réfraction vs changement de la structure induite? Formation de nano agrégats et de nano structures ? Vérification de modèles !!! Questions qui restent

38 38 Merci à Mes collègues aux Laboratoires Hubert Curien (Saint-Etienne) et LP3 (Marseille), aux USA et en Russie CNRS Projet DRI CNRS (France-USA et France Russie) Projets ANR « Festic » et « NanoMorphing » Merci pour votre attention !


Télécharger ppt "1 Mécanismes dablation laser en régime femtoseconde à flux modéré Tatiana ITINA Laboratoire Hubert Curien (LaHC UMR CNRS 5516 ) 18 rue Prof. Benoît Lauras,"

Présentations similaires


Annonces Google