ОБРАЗОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МЕТАЛЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАКОРОТКОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА

Выполнено моделирование воздействия лазерного импульса на золотую мишень. С этой целью применена гибридная модель, сочетающая молекулярную динамику и анализ на основе непрерывной (континуальной) двухтемпературной модели, способная проанализировать механизмы, ответственные за процесс наноструктурирования. Проведено прямое сравнение данных моделирования и экспериментальных результатов по наномодификации поверхности одним лазерным импульсом пикосекундной длительности при плотностях энергии, значительно превышающих порог плавления. Экспериментальные результаты получены при воздействии лазерного излучения с длиной волны 248 нм и длительностью импульса 1,6 пс. Проекция маски (дифракционной решетки) на поверхность золота создает распределение интенсивности синусоидальной формы с периодом 500 нм. Продемонстрировано хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами моделирования с учетом сложных связей между сверхбыстрым откликом материала на лазерное возбуждение, генерацией кристаллических дефектов, фазовыми превращениями и массопереносом, протекающими в сильнонеравновесных условиях. Выполненная работа подтверждает, что предлагаемый подход может стать мощным инструментом выявления физических процессов наноструктурирования поверхности металлов. Детальное понимание динамики процесса дает возможность разрабатывать топологии функциональных поверхностей на нано- и микромасштабах.

1. Chichkov B.N., Momma C., Nolte S., von Alvensleben F., Tünnermann A. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids // Applied Physics A. 1996. V. 63. P. 109–115. doi: 10.1007/bf01567637
2. Gattass R.R., Mazur E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials // Nature Photonics. 2008. V. 2. P. 219–225. doi: 10.1038/nphoton.2008.47
3. Vorobyev A.Y., Guo C. Direct femtosecond laser surface nano/microstructuring and its applications // Laser and Photonics Reviews. 2013. V. 7. P. 385–407. doi: 10.1002/lpor.201200017
4. Lin B., Elsayed-Ali H.E. Temperature dependent reflection electron diffraction study of In(1 1 1) and observation of laser-induced transient surface superheating // Surface Science. 2002. V. 498. N 3. P. 275–284. doi: 10.1016/s0039-6028(01)01764-2
5. Siwick B.J., Dwyer J.R., Jordan R.E., Miller R.J.D. An atomic-level view of melting using femtosecond electron diffraction // Science. 2003. V. 302. N 5649. P. 1382–1385. doi: 10.1126/science.1090052
6. Sokolowski-Tinten K., Blome C., Blums J., Cavalleri A., Dietrich C. et. al. Femtosecond X-ray measurement of coherent lattice vibrations near the Lindemann stability limit // Nature. 2003. V. 422. N 6929. P. 287–289. doi: 10.1038/nature01490
7. Ivanov D.S., Zhigilei L.V. Kinetic limit of heterogeneous melting in metals // Physical Review Letters. 2007. V. 98. N 19. Art. 195701. doi: 10.1103/physrevlett.98.195701
8. Lin Z., Leveugle E., Bringa E.M., Zhigilei L.V. Molecular dynamics simulation of laser melting of nanocrystalline Au // The Journal of Physical Chemistry C. 2010. V. 114. N 12. P. 5686–5699. doi: 10.1021/jp909328q
9. Ivanov D.S., Lin Z., Rethfeld B., O'Connor G.M., Glynn Th.J., Zhigilei L.V. Nanocrystalline structure of nanobump generated by localized photoexcitation of metal film // Journal of Applied Physics. 2010. V. 107. N 1. P. 013519. doi: 10.1063/1.3276161
10. Pronko P.P., Dutta S.K., Squier J., Rudd J.V., Du D., Mourou G. Machining of sub-micron holes using a femtosecond laser at 800nm // Optics Communications. 1995. V. 114. N1-2. P. 106–110. doi: 10.1016/0030-4018(94)00585-i
11. Koch J., Korte F., Bauer T., Fallnich C., Ostendorf A., Chichkov B.N. Nanotexturing of gold films by femtosecond laser-induced melt dynamics // Applied Physics A. 2005. V. 81. N 2. P. 325–328. doi: 10.1007/s00339-005-3212-6
12. Hwang D., Ryu S.-G., Misra N., Jeon H., Grigoropoulos C.P. Nanoscale laser processing and diagnostics // Applied Physics A. 2009. V. 96. N 2. P. 289–306. doi: 10.1007/s00339-009-5207-1
13. Huber C., Trügler A., Hohenester U., Prior Y., Kautek W. Optical near-field excitation at commercial scanning probe microscopy tips: a theoretical and experimental investigation // Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. V. 16. N 6. P. 2289–2296. doi: 10.1039/c3cp51730f
14. Ivanov D.S., Zhigilei L.V. Combined atomistic-continuum modeling of short-pulse laser melting and disintegration of metal films // Physical Review B. 2003. V. 68. N 6. Art. 064114. doi: 10.1103/physrevb.68.064114
15. Анисимов С.И., Капелиович Б.Л., Перельман Т.Л. Электронная эмиссия с поверхности металлов под действием ультракоротких лазерных импульсов // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. № 2. С. 776–781.
16. Leveugle E., Ivanov D.S., Zhigilei L.V. Photochemical spallation of molecular and metal targets: molecular dynamic study // Applied Physics A. 2004. V. 79. N 1. P. 1643–1655. doi: 10.1007/s00339-004-2682-2
17. Zhigilei L.V., Lin Z., Ivanov D.S. Atomistic modeling of short pulse laser ablation of metals: connections between melting, spallation, and phase explosion // The Journal of Physical Chemistry C. 2009. V. 113. N 27. P. 11892–11906. doi: 10.1021/jp902294m
18. Ivanov D.S., Lipp V.P., Rethfeld B., Garcia M.E. Molecular-dynamics study of the mechanism of short-pulse laser ablation of single-crystal and polycrystalline metallic targets // Journal of Optical Technology. 2014. V. 81. N 5. P. 250–253. doi: 10.1364/jot.81.000250
19. Ivanov D.S., Lipp V.P., Blumenstein A., Veiko V.P., Yakovlev E.B. et. al. Experimental and theoretical investigation of periodic nanostructuring of Au with UV laser near the ablation threshold // Physical Review Applied. 2015. V. 4. N 6. Art. 064006. doi: 10.1103/physrevapplied.4.064006
20. Иванов Д.С., Липп В.П., Блюменштейн A., Вейко В.П., Яковлев Е.Б., Роддатис В.В., Гарсия M.E., Ретфельд Б., Илеманн Ю., Симон П. Анализ образования периодических наноструктур на поверхности золота при воздействии лазерных ультракоротких импульсов вблизи порога плавления // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 984–999.
21. Corkum P.B., Brunel F., Sherman N.K., Srinivasan-Rao T. Thermal response of metals to ultrashort-pulse laser excitation // Physical Review Letters. 1988. V. 61. N 25. P. 2886–2889. doi: 10.1103/physrevlett.61.2886
22. Demsar J., Averitt R.D., Ahn K.H., Graf M.J., Trugman S.A., Kabanov V.V., Sarrao J.L., Taylor A.J. Quasiparticle relaxation dynamics in heavy fermion compounds // Physical Review Letters. 2003. V. 91. N 2. Art. 027401. doi: 10.1103/physrevlett.91.027401
23. Hohlfeld J., Wellershoff S.-S., Güdde J., Conrad U., Jähnke V., Matthias E. Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals // Chemical Physics. 2000. V. 251. N 1-3. P. 237–258. doi: 10.1016/s0301-0104(99)00330-4
24. Ihlemann J., Klein-Wiele J.-H., Bekesi J., Simon P. UV ultrafast laser processing using phase masks // Journal of Physics: Conference Series. 2007. V. 59. P. 449–452. doi: 10.1088/1742-6596/59/1/096
25. Bekesi J., Simon P., Ihlemann J. Deterministic sub-micron 2D grating structures on steel by UV-fs-laser interference patterning // Applied Physics A. 2014. V. 114. N 1. P. 69–73. doi: 10.1007/s00339-013-8083-7
26. Borchers B., Bekesi J., Simon P., Ihlemann J. Submicron surface patterning by laser ablation with short UV pulses using a proximity phase mask setup // Journal of Applied Physics. 2010. V. 107. N 6. Art. 063106. doi: 10.1063/1.3331409
27. Eisele C., Nebel C.E., Stutzmann M. Periodic light coupler gratings in amorphous thin film solar cells // Journal of Applied Physics. 2001. V. 89. N 12. P. 7722–7726. doi: 10.1063/1.1370996
28. Chen J.-T., Lai W.-C., Kao Y.-J, Yang Y.-Y., Sheu J.-J. Laser-induced periodic structures for light extraction efficiency enhancement of GaN-based light emitting diodes // Optics Express. 2012. V. 20. N 5. P. 5689–5695. doi: 10.1364/oe.20.005689
29. Wang C., Chang Y.-C., Yao J., Luo C., Yin S., Ruffin P., Brantley C., Edwards E. Surface enhanced Raman spectroscopy by interfered femtosecond laser created nanostructures // Applied Physics Letters. 2012. V. 100. N 2. Art. 023107. doi: 10.1063/1.3676040
30. Nagy T., Simon P. Single-shot TG FROG for the characterization of ultrashort DUV pulses // Optics Express. 2009. V. 17. N 10. P. 8144–8151. doi: 10.1364/oe.17.008144
31. Ivanov D.S., Rethfeld B., O’Connor G.M., Glynn T.J., Volkov A.N., Zhigilei L.V. The mechanism of nanobump formation in femtosecond pulse laser nanostructuring of thin metal films // Applied Physics A. 2008. V. 92. N 4. P. 791–796. doi: 10.1007/s00339-008-4712-y
32. Ivanov D.S., Kuznetsov A.I., Lipp V.P., Rethfeld B., Chichkov B.N., Garcia M.E., Schulz W. Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment // Applied Physics A. 2013. V. 111. N 3. P. 675–687. doi: 10.1007/s00339-013-7656-9
33. Schäfer C., Urbassek H.M., Zhigilei L.V., Garrison B.J. Pressure-transmitting boundary conditions for molecular dynamics simulations // Computational Materials Science. 2002. V. 24. N 4. P. 421–429. doi: 10.1016/s0927-0256(01)00263-4
34. Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Ashitkov S.I., Nishihara K. Molecular dynamics simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials // Applied Surface Science. 2009. V. 255. N 24. P. 9592–9596. doi: 10.1016/j.apsusc.2009.04.082
35. Smithell’s Metal Reference Book. 8th ed. / Eds. W.F. Gale, T.C. Totemeier. Butterworth-Heinemann, Oxford, 2004. 2080 p.
36. Ivanov D.S., Lipp V.P., Veiko V.P., Yakovlev E., Rethfeld B., Garcia M.E. Molecular dynamics study of the short laser pulse ablation: quality and efficiency in production // Applied Physics A. 2014. V. 117. N 4. P. 2133–2141. doi: 10.1007/s00339-014-8633-7
37. Wu B., Shin Y.C. A self-closed thermal model for laser shock peening under the water confinement regime configuration and comparisons to experiments // Journal of Applied Physics. 2005. V. 97. N 11. Art. 113517. doi: 10.1063/1.1915537
38. Nakano H., Miyauti S., Butani N., Shibayanagi T., Tsukamoto M., Abe N. Femtosecond laser peening of stainless steel // Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 2009. V. 4. N 1. P. 35–38. doi: 10.2961/jlmn.2009.01.0007
39. Nakano H., Tsuyama M., Miyauti S., Shibayanagi T., Tsukamoto M., Abe N. Femtosecond and nanosecond laser peening of stainless steel // Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 2010. V. 5. N 2. P. 175–178. doi: 10.2961/jlmn.2009.01.0007
40. Cheng G.J., Shehadeh M.A. Dislocation behavior in silicon crystal induced by laser shock peening: a multiscale simulation approach // Scripta Materialia. 2005. V. 53. N 9. P. 1013–1018. doi: 10.1016/j.scriptamat.2005.07.014
41. Wu C., Zhigilei L.V. Nanocrystalline and polyicosahedral structure of a nanospike generated on metal surface irradiated by a single femtosecond laser pulse // Journal of Physical Chemistry C. 2016. V. 120. N 8. P. 4438–4447. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b00013
42. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Progress in Materials Science. 2000. V. 45. N 2. P. 103–189. doi: 10.1016/s0079-6425(99)00007-9
43. Bufford D.C., Morris Wang Y., Liu Y., Li L. Synthesis and microstructure of electrodeposited and sputtered nanotwinned face-centered-cubic metals // MRS Bulletin. 2016. V. 41. N 4. P. 286–291. doi: 10.1557/mrs.2016.62
44. Fang T.H., Li W.L., Tao N.R., Lu K. Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper // Science. 2011. V. 331. N 6024. P. 1587–1590. doi: 10.1126/science.1200177
45. Jang D., Li X., Gao H., Greer J.R. Deformation mechanisms in nanotwinned metal nanopillars // Nature Nanotechnology. 2012. V. 7. N 9. P. 594–601. doi: 10.1038/nnano.2012.116
46. Li X., Dao M., Eberl C., Hodge A.M., Gao H. Fracture, fatigue, and creep of nanotwinned metals // MRS Bulletin. 2016. V. 41. N 4. P. 298–304. doi: 10.1557/mrs.2016.65
47. Ivanov D.S., Rethfeld B.C. The effect of pulse duration on the interplay of electron heat conduction and electron–phonon interaction: photo-mechanical versus photo-thermal damage of metal targets // Applied Surface Science. 2009. V. 255. N 24. P. 9724–9728. doi: 10.1016/j.apsusc.2009.04.131
48. Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Ашитков С.И., Петров Ю.В., Агранат М.Б., Анисимов С.И., Нишихара К., Фортов В.Е. О наноотколе после воздействия ультракороткого лазерного импульса // ЖЭТФ. 2008. Т. 134. № 1. С. 1–29.
49. Upadhyay A.K., Inogamov N.A., Rethfeld B., Urbassek H.M. Ablation by ultrashort laser pulses: atomistic and thermodynamic analysis of the processes at the ablation threshold // Physical Review B. 2008. V. 78. N 4. Art. 045437. doi: 10.1103/physrevb.78.045437
50. Wellershoff S.-S., Hohlfeld J., Güdde J., Matthias E. The role of electron–phonon coupling in femtosecond laser damage of metals // Applied Physics A. 1999. V. 69. P. S99–S107. doi: 10.1007/s003399900305
51. Veiko V.P., Shakhno Е.А., Yakovlev E.B. Effective time of thermal effect of ultrashort laser pulses on dielectrics // Quantum Electronics. 2014. V. 44. N 4. P. 322–324. doi: 10.1070/qe2014v044n04abeh015324
52. Wu C., Zhigilei L.V. Microscopic mechanisms of laser spallation and ablation of metal targets from large-scale molecular dynamics simulations // Applied Physics A. 2014. V. 114. N 1. P. 11–32. doi: 10.1007/s00339-013-8086-4
 

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