1 Mécanismes d’ablation laser en régime femtoseconde à flux modéré Tatiana ITINA Tatiana ITINA Laboratoire Hubert Curien ( Laboratoire Hubert Curien ( LaHC UMR CNRS LaHC UMR CNRS 5516 5516 ) ) 18 rue Prof. Benoît Lauras, Bat. F, Saint 18 rue Prof. Benoît Lauras, Bat. F, Saint Etienne, France Etienne, France [email protected][email protected]JPU 2009, 27-30 avril 2009 LP3 UMR 6182 CNRS (Marseille) University of Virgina, Penn State University, (USA) IHED, Ras, Moscou (Russie)
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1 Mécanismes dablation laser en régime femtoseconde à flux modéré Tatiana ITINA Laboratoire Hubert Curien (LaHC UMR CNRS 5516 ) 18 rue Prof. Benoît Lauras,
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Mécanismes d’ablation laser en régime femtoseconde à flux modéré
Tatiana ITINATatiana ITINA
Laboratoire Hubert Curien (Laboratoire Hubert Curien (LaHC UMR CNRS LaHC UMR CNRS 55165516 ))18 rue Prof. Benoît Lauras, Bat. F, Saint Etienne, France18 rue Prof. Benoît Lauras, Bat. F, Saint Etienne, France
-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
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Problèmes :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 !
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Transport électroniqueTransport 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
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Métaux vs diélectriquesMétaux vs diélectriques
?
?
excitation forte Model à deux températures (TTM) peut être utilisé
excitation faible délai à cause d’un gaz d’électrons non- thermalisé
Transport est-il affecté par l’absence d’équilibre?
transport « balistique »
Équations du transportbulk couches minces
Approche cinétique
METAUX:
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.)
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Interactions avec des cibles Interactions avec des cibles métalliquesmétalliques
absiee
ee
e QTTz
Tk
zt
TC
iei
ii
i TTz
Tk
zt
TC
ne décrit pas le mouvement de la matièreLes 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 Fthproblèmes de changement de potentiel d’interaction
3. Modèles hydro à 2T
problèmes d’absence d’équilibre,du passage solide-plasma, EOS, etc.
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T. E. Itina, L. V. Zhigilei, B. J. Garrison, J. Phys. Chem.B , T. E. Itina, L. V. Zhigilei, B. J. Garrison, J. Phys. Chem.B , 106106, 303-, 303-310 (2002)310 (2002)
Processus sont hors-équilibre=>difficiles pour la modélisation classique
p r e s s u r e - t r a n s m i t t i n g , h e a t - c o n d u c t i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n
Las
er p
ulse
t)S(z,)TG(TTz
)T,(TKzt
T)(TC leelee
eee
z
)TG(Tt
T)(TC le
lll
cell
B
N
1i
2Tii
celll N3kvm T
cel l
Tiii
2i
2i vξmFdtrdm :MD
eee TTC constG ? ?
Modèle couplé TTM - MD
(Ivanov et Zhigilei)
?
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Echange électron-phononEchange électron-phonon
Modèles ab initio ! 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)
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NiAl
Couplage électron-phonon, G
Z. Lin et L. V. Zhigilei, PRB, 2008
Excitation d’électrons : bande 5d
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Rôle du DOS & conséquances
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
Pt WTiCu
Verification ???
Modèle TTM-QMD ? (S. Mazevet)
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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
Z. Lin, et al.Phys. Rev. B 73, 184113, 2006.
1 ps
2 ps 3 ps
14
iejLSx
J
et
njj
jj , ,1
e
TkKkA
txTTg
x
TK
xx
T
en
J
t
TA
eeee
le
ee
e
e
ee
24 ,2
3
),,()(
D = kBTe/e
E
x
en ni e
0
ee neDEneJ
).( le
ll
ll TTg
x
TK
xt
TA
Voire: Van Driel et al., N. Bulgakova
Cibles semi-conducteursCibles semi-conducteurs
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Photoemission
Metals (Au):
e
ee
es kT
eTAIR
kT
hF
h
kTcJ
exp13
3
2 20
332
2
Semiconductors (Si):
ee
e
e
PEfree
PEAu
AuPE
SiPEAus
kT
eTAIR
kT
hF
h
kT
l
lcJ
exp13
3
2
13
13
20
33
2
2
Dielectrics (Al2O3): )/exp()(2
1 66 lx
nn
nInIPE
ha
ae
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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
AgrégatsEOSPrésence d’un gaz => ???
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21 iFonction diélectrique
c
k 2
e
ep m
en
0
²
ikn Index de réfraction
221 1
11
c
e
n
n
)1(
1222
c
e
n
n
Absorption
1. Modèle de Drude (flux modéré)
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)
+ loi de Lambert
Fréquence de collisions ? Couplage électron-phonon ?Fréquence de collisions ? Couplage électron-phonon ?
Debay => solide; Spitzer => plasma Autres ?
+ équations de Fresnel
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Fréquence de collisionsFréquence 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 2008J.-Ph. Colombier et al., PRE 2008
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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
Nucleation de boulesEOS métastable => « liquide metastable »
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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
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R, x100µm
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Z, x
100 µ
m
1
2
3
4
5
6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
R, x100µm
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Z, x
10
0 µ
m
1
2
3
4
5
60.00 0.05 0.10 0.15 0.20
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.