Mécanismes d’ablation laser en régime femtoseconde à flux modéré JPU 2009, 27-30 avril 2009 Mécanismes d’ablation 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 tatiana.itina@univ-st-etienne.fr LP3 UMR 6182 CNRS (Marseille) University of Virgina, Penn State University, (USA) IHED, Ras, Moscou (Russie)

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 d’énergie absorbée) - Les agrégats peuvent être formés même sous vide

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 d’un panache plasma, agrégats) < temps de relaxation => pas d'équilibre e-ph ou e-i

ne sont pas bien connus et varient avec Te ! Problèmes : Contrairement au régime à haut flux, le plasma n’est pas formé directement. La matière passe par les états tels que Matière dense et chaude (WDM) ; les électrons sont chauds, mais leur nombre n’est 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 !

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 H. M. van Driel pour Si (Te>Ti) -ex: modèle de Lee and More pour un plasma dense (Te=Ti) -ex: modèle P. B. Allen pour métaux

Métaux vs diélectriques couches minces Approche cinétique Équations du transport bulk METAUX: excitation faible délai à cause d’un gaz d’électrons non- thermalisé Transport est-il affecté par l’absence d’équilibre? ? excitation forte Model à deux températures (TTM) peut être utilisé transport « balistique » ? DIELECRIQUES Hypothèses: cristal idéale, bands paraboliques Approches : -équation de Boltzmann (intégrale de collisions ?!) -équation cinétique d’ionisation dérivée par Stuart et Feit -approche basée sur la fréquence de collisions (Penano et al.)

Interactions avec des cibles métalliques 1. Modèle à deux températures (TTM ) ne décrit pas le mouvement de la matière Les coefficients ne sont pas connus 2. Modèles basé sur la dynamique moléculaire (TTM, TTM-MD ) utilisé pour le fusion et ablation près du Fth problèmes de changement de potentiel d’interaction 3. Modèles hydro à 2T problèmes d’absence d’équilibre, du passage solide-plasma, EOS, etc.

Laser picoseconde : dynamique moléculaire Cibles: matrices moléculaires, métaux Processus sont hors-équilibre =>difficiles pour la modélisation classique -Photo-thermique (explosion des phases) et/ou Photo-mécanique (spallation) Mélange d’un gaz et de nano-agrégats (la taille augmente à l’arrière du panache) T. E. Itina, L. V. Zhigilei, B. J. Garrison, J. Phys. Chem.B , 106, 303-310 (2002)

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

Echange électron-phonon Modèles ab initio ! Ab initio method for calculating e-ph scattering times in semiconductors… J. Sjakste, N. Vaste, V. Tyuterev, PRL 99 23405 (2007) => 1.5-2 ps for GaAs Electron-phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron-phonon nonequilibrium, Z. Lin et al. PRB, 77 075133 (2008)

Excitation d’électrons : bande 5d Couplage électron-phonon, G Al Ni Z. Lin et L. V. Zhigilei, PRB, 2008

Rôle du DOS & conséquances Pt W Cu Ti Conséquences: Températures de la surface, émission d’électrons Fluence seuil de la fusion de de l’ablation Contraintes mécaniques Le taux des transformations des structures induites par laser Verification ??? Modèle TTM-QMD ? (S. Mazevet)

Fusion des couches d’Al : TTM-MD Experience Siwick et al. Science 302, 1382, 2003 Fluence: 70 mJ/cm2, réflectivité 88% disorientation à ~3.5 ps Simulation (même conditions) Fusion homogène à 3 ps (début à ~1.5 ps) Assez bon accord 1 ps Z. Lin, et al.Phys. Rev. B 73, 184113, 2006. 2 ps 3 ps

Cibles semi-conducteurs D = kBTe/e Voire: Van Driel et al., N. Bulgakova

Photoemission Metals (Au): Semiconductors (Si): Dielectrics (Al2O3):

Modélisation de l’ablation =>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 d’un gaz => ???

Absorption 1. Modèle de Drude (flux modéré) Fonction diélectrique Index de réfraction + équations de Fresnel + loi de Lambert 2. Equations de Maxwell ou d’Helmholtz (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) Fréquence de collisions ? Couplage électron-phonon ? Debay => solide; Spitzer => plasma Autres ?

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

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, 192-203 (2002). An electron conductivity model for dense plasmas, Y. T. Lee and R. M. More , Phys. Fluids 27 (5), 1273 (1984) => basé sur l’équation 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

Analyse des trajectoires Nucleation de boules EOS métastable => «  liquide metastable » 0.9Tc<T<Tc Explosion des phases L = 100 fs,  = 800 nm, F = 5 J/cm2 Fragmentation

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, 700508 (2008) Si Te> Ec~5 eV => Les liaisons n’existent plus => Fusion ou Ablation ? B. Chimier et al., E. Gamaly, E-MRS 2008

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

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

(mm) DM-SDMC Laser 200 ns 400 ns 5 µs 10 µs Flas = 4 Jcm-2 0 1 2 3 4 cluster number density 200 ns 400 ns monomer number density 5 µs 10 µs 0 1 2 3 4 (mm) Résultats numériques Résultats expérimentaux (Noë et al.l) t= 50 ns, 15 ps, F=61 J/m2, R=10 µm 100 fs F=4 J/cm2 T. E. Itina, K. Gouriet, L. V. Zhigilei, S. Noel, J. Hermann, and M. Sentis, Appl. Surf. Sci. , 253, 7656-7661 (2007)

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

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

Constats expérimentaux !? Defaults et STEs ! 800 nm, G. Duchateau Système d’EDP Constats expérimentaux !? Ordre 3 aux temps courts avec temps de relaxation indépendant de l’intensité laser Ordre 1 aux temps longs avec temps de relaxation dépendant de l’intensité laser Effet isotopique  σc Exciton Réarrangement global du réseau Relaxation lente Relaxation rapide BC EI 2 temps EI 1 BV

Modèles d’avalanche 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)

Variation de l’intensité crête: Expérience Simulation claquage 1010 W/cm2 Plasma radiation from the breakdown region Li et al. PRL 82 (11), 2394 (1999) MPI /Tunnel, Rethfeld, t =50 fs t =25 fs => Augmentation non-linaire avec l’intensité crête

Choix entre MPI et Tunnel (Keldysh) t =30 fs, Icête=0.6x1012 W/cm2, avalanche parameter =const => Le paramètres de Keldysh varie => MPI / tunnel => « field ionization » ( FI) varie

Absorption : différentes situations pulses plus courts intensité plus élevée impulsion longue intensité faible En fonction de la durée d’impulsion et de l’intensité crête, soit la fraction majeure d’énergie est transmise soit réfléchie. absorption de quelques %

Augmentation de l’intensité crête => Profondeur ablatée Ecrit=3.2*1010 J Profondeur d’ablation calculée avec les deux critères d’ablation     Augmentation de l’intensité crête => cratères aplaties ? Validation => la présentation de B. Chimier T. E. Itina, M. Mamatkulov, M. Sentis, Optical Engineering, 44(5), 051109, (2005)

Modélisation en deux étapes Calcul de l’énergie laser déposée à l’aide de la résolution des équations de Maxwell prenant en compte l’ionisation multiphotonique Calcul de la formation l’aide du code d’hydrodynamique à deux températures Antoine BOURGEADE, et al. CEA, Bordeaux

Formation des structures périodiques -modèle de Sipe (état de surface, polarisation, longueur d’onde, angle d’incidence) => 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 d’un module électromagnétique , +Ionisation + un module thermomécanique La polarisation, le nombre d’impulsions, l’intensité, la présence d’un gaz, sa nature, l’état de la surface irradiée définissent les structures

Ejection: particules et/ou « fibres » B. J. Garrison, A. Delcorte, L. V. Zhigilei, T. E. Itina, et al. Appl. Surf. Sci., 203-204, 69-71(2003) Leveugle,et a. JAP 102, 074914 2007 L. Zhigilei V. N. Tokarev

=>Il est important de tenir compte de la variation de la section efficace (Keldysh) Le modèle de Stuart et Feit surestime l’effet d’avalanche par rapport aux résultats données par le modèle de Rethfeld Rôle de la durée d’impulsion et de l’intensité crête Importance de l’historique d’excitation Couplage de modèles ! (ex.: C. Mézel et al. « Formation de nano-cavités… »)

Questions qui restent Définition des coefficients du transport G(T), ke(T), Te>>Ti Vérifications des modèles (photoémission, G(T), etc…) Amélioration des EOS, transitions des phases Modèle d’absorption dans les diélectriques ? Les pertes: excitons, recombinaisons => où l’énergie va ? Modification d’indice de réfraction vs changement de la structure induite? Formation de nano agrégats et de nano structures ? Vérification de modèles !!!

Merci pour votre attention ! 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 ! tatiana.itina@univ-st-etienne.fr