Mécanismes d’ablation laser en régime femtoseconde à flux modéré

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

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

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, recombinaisonautres…) -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

4. 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 !

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 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

6. bulk couches minces Approche cinétique Équations du transport excitation faible délai à cause d’un gaz d’électrons non- thermalisé excitation forte Model à deux températures (TTM) peut être utilisé Métaux vs diélectriques METAUX: Transport est-il affecté par l’absence d’équilibre? ? 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.)

7. 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.

8. 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)

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

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 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)

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

12. 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)

13. Fusion des couches d’Al : TTM-MD Experience Siwick et al. Science302, 1382, 2003 Fluence: 70 mJ/cm2, réflectivité 88% disorientation à ~3.5 ps Simulation (même conditions) Fusion homogène à3 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

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

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

16. 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 => ???

17. 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 ?

18. 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 ???

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, 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

20. 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

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

22. Expansion d’un panache Modèle Combiné Hydro 1D +SDMC Modèle Combiné Hydro 1D + Hydro 2D 44 ns 24 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. Densité du panache en fonction de la distance pour trois délais différents Onde de détente => distribution de la densité du panache

23. 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)

24. Flas = 4 Jcm-2 DM-SDMC Laser 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) 100 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, 7656-7661 (2007)

25. Cibles diélectriques 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 ???

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

27. Defaults et STEs ! temps 0 800 nm, G. Duchateau Système d’EDP Constats expérimentaux !? Exciton • 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 Réarrangement global du réseau Relaxation lente Relaxation rapide BC EI 2 EI 1 BV

28. 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)

29. 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

30. 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

31. 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 %

32. 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)

33. 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

34. 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

35. 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

36. =>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… »)

37. 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 !!!

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 ! tatiana.itina@univ-st-etienne.fr