Processus d’ablation laser Cours MC 300 - 4 octobre 2023 PDF

Processus d’ablation laser Expansion et Emission du plasma Interaction Vaporisation & Laser-cible Formation plasma...

Processus d’ablation laser Expansion et Emission du plasma Interaction Vaporisation & Laser-cible Formation plasma CK 1/ lt Interaction Laser-cible L'interaction laser-matière dépend principalement des: - Propriétés optiques (coefficients de réflexion R et d'absorption α ou réflectivité et absorptivité du matériau ) - Propriétés physico-chimique de la cible (diffusivité thermique D, chaleur spécifique cp, masse volumique , conductivité thermique K, chaleur latente de fusion Lf , chaleur latente de vaporisation Lv ) - Caractéristiques du laser utilisé (longueur d'onde  , durée d'impulsion , densité surfacique d'énergie laser appelée également fluence laser F). Lorsque la radiation laser est absorbée par la surface du matériau, elle est immédiatement convertie en excitation électronique sous forme de plasmons et d’électrons libres. Les électrons excités transfèrent leur énergie au réseau en quelques picosecondes. Le rayonnement laser est considéré comme une source de chaleur pulsée qui se propage dans le matériau. Le chauffage commence à l’intérieur d’une épaisseur d’absorption optique du matériau définie par 1/ avec  le coefficient d’absorption optique et affecte thermiquement une zone durant l’irradiation de ce matériau Loi de Beer Lambert I(z) = I0 e-z I0= (1-R) Ii 4 k k : coefficient d’extinction du  matériau   : longueur d’onde du laser lt  2D  1 2 D : diffusivité thermique  : durée du pulse laser 1/ lt 1/ < lt Evaporation thermique La propagation de la chaleur dans le matériau est décrite par la théorie linéaire de la conduction qui repose sur l’hypothèse que le flux de chaleur est proportionnel au gradient de température. L’équation qui gouverne le mécanisme de l’éjection thermique est l’équation de conduction de la chaleur  T z, t     T z, t    T  C p T    K T    1  R  I t  e  z t z  z  : densité du matériau (masse volumique) Cp: capacité calorifique T: température K: conductivité thermique R: réflectivité α: coefficient d’absorption du matériau I: intensité de la radiation laser. Géométrie de l’irradiation d’un solide par un laser et distribution de la température à l’intérieur du solide. Ts : Température de surface Tk : Température au niveau de la couche de Knudsen vv : Vitesse de la vapeur ρ : Masse volumique cp : Chaleur spécifique  Evolution de la température de Evolution de la température de surface en surface en fonction du temps fonction de la profondeur à la fin de l’impulsion laser à l’intérieur du matériau 20000 20000 10 J/cm2 15000 10 J/cm2 15000 T(K) 6 J/cm2 10000 10000 6 J/cm2 3 J/cm2 5000 3 J/cm2 5000 1 J/cm2 1 J/cm2 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 z (µm) t (ns) Le niveau 0 est la surface du matériau et z à l’intérieur du matériau (suivant la profondeur) Température de surface en fonction Température de surface en fonction du temps à différentes fluences. de la fluence laser.  Vaporisation Pour qu’il y ait une éjection de matière de la cible irradiée, il est nécessaire que la densité surfacique d’énergie soit supérieure à une valeur limite appelée fluence seuil. La valeur de cette dernière dépend principalement des paramètres du laser (longueur d’onde et durée d’impulsion) et de la composition de la cible et de sa microstructure. Elle est généralement comprise entre 1 et 10 J/cm2 pour les métaux, entre 0.5 et 2 J/cm2 pour les isolants inorganiques et entre 0.01 et 1 J/cm2 pour les matériaux organiques On considère qu’il y a éjection de matière de la cible uniquement lorsque sa température de surface est supérieure à la température de vaporisation Tvap de l’élément qui la compose  Tvap  T0  Fseuil    K   2 (1  R) D     D : Diffusivité thermique CK K : Conductivité thermique  La quantité de masse M évaporée par impulsion laser: E ) Eth  x  1  R  M LvH+ CpC -TT0) (Tvb Lv chaleur latente de vaporisation, Cp chaleur spécifique et Tb température d’ébullition, T0 température ambiante. Question 1: A partir de cette relation (masse évaporé) , comment vous obtenez la relation de la profondeur évaporé du cratère? La vaporisation d’une surface par un laser peut s’accompagner de la formation d’un plasma, et ce d’autant plus facilement que la longueur d’onde du laser est élevée. La formation d’un plasma suppose la création d’électrons primaires qui sont à l’origine des premières ionisations entraînant par la suite une production d’électrons dits secondaires. Deux mécanismes principaux conduisent à la production de ces électrons primaires, l’effet multiphotonique et l’effet thermoionique. L’effet thermoïonique représente la production d’électrons contenus dans un matériau qui, exposé à une radiation lumineuse (dans notre cas), absorbe l’énergie des photons et s’échauffe. Les électrons utilisent cette chaleur comme énergie pour se libérer de la matrice. La production d’électrons est proportionnelle à la température du matériau selon la loi de Richardson :   jt  A T e 2 k BT où jt est la densité de courant, A est une constante, Ф est le travail d’extraction, kB est la constante de Boltzmann et T est la température. L’effet thermoïonique a lieu indépendamment de la longueur d’onde laser incidente mais il est d’autant plus efficace que la puissance laser déposée est élevée puisque l’échange thermique laser-solide est alors plus important. Quand le matériau est irradié en infrarouge (1m), ce processus est majoritaire quant à la production d’électrons car les photons de faible énergie (incapables d’ioniser) interagissent avec les électrons dont la vitesse de vibration augmente, les faisant ainsi entrer en collision avec les autres électrons et les ions de la matrice qui s’échauffent selon un modèle de conduction classique. L’effet multi-photonique représente l’absorption simultanée de plusieurs photons par un électron de la matrice, acquérant ainsi l’énergie qui lui est nécessaire pour s’en extraire. Ce processus a une section efficace d’autant plus élevée que la longueur d’onde laser est faible car celle-ci correspond à une énergie de photons d’autant plus élevée et que le processus peut avoir lieu avec le moins d’absorption de photons possible. La densité de courant due à cet effet est donnée par la relation suivante :  1  h    2  2  j p  a I t  1  R  T t 2       2  k BT  6    où a est une constante, I est l’intensité laser, R est la réflectivité de la cible, hν est l’énergie d’un photon et Ф est le travail d’extraction. L’absorption multiphotonique est un processus efficace à faible longueur d’onde laser car les photons ont une énergie élevée de quelques eV, ce qui est de l’ordre de grandeur de l’énergie d’extraction des électrons de la plupart des matériaux. Dans de telles conditions, l’absorption simultanée de 1 à 3 photons par un électron est, d’une part suffisante pour la libération de l’électron, et d’autre part a une probabilité non négligeable de se produire. Ce processus est à prendre en compte quand la longueur d’onde laser est inférieure à 1m.  Les deux effets multiphotonique et thermoïonique sont responsables de la production d’électrons primaires à la surface d’une cible solide irradiée par un laser. Selon les conditions interaction laser-matériau, l’un ou l’autre de ces deux effets est prépondérant devant l’autre. Question 2: Quelle est la différence entre l’effet thermoïnique et l’effet multi-photonique? Question 3: Vous avez des lasers à trois différentes longueurs d’ondes 1,06 µm, 532 nm et 248 nm. Donner l’énergie du photon en eV? Question 4: Donner la définition du travail d’extraction Ф? Donner les valeurs du travail d’extraction du zinc (Zn), du sodium (Na) et de l’or (Au)? Question 5: Parmi les lasers cités dans la question 3, lequel est prédominant pour extraire des électrons primaires soit par effet thermo- ionique ou multi-photonique pour le Zn, Na et Au?  Formation du plasma Equilibre thermique (qq. collisions) Couches de Knudsen CK La matière évaporée reste d'abord confinée près de la surface de la cible dans une couche appelée couche de Knudsen. L'ionisation des particules dans la couche de Knudsen s'effectue par collision entre les particules mais également par absorption d'une partie du faisceau laser formant ainsi le plasma. Absorption par Bremsstrahlung inverse Un électron peut absorber de l’énergie laser durant des collisions par effet bremsstrahlung inverse. L’énergie moyenne des électrons est donc augmentée dans la vapeur et par conséquent l’ionisation des atomes par impact électronique augmente. C’est un mécanisme de gain d’énergie des électrons, le partenaire de collision étant soit un atome neutre soit un ion. Ce processus est beaucoup plus efficace lors des collisions avec les ions à cause des forces coulombiennes. Les coefficients d’absorption par bremsstrahlung inverse (électron-neutre et électron-ion) sont donnés par les relations suivantes : 1 2  i 2 i   2  28 k aen  7.2  10    h  1   cm-1 3   3 h  3 kaei  6.1  10 29 cm-1 kT  1 2 Ce processus sera d’autant plus efficace que la longueur d’onde sera grande. Absorption par photo-ionisation Dans la vapeur, le nombre d’électrons peut augmenter par ionisation multiphotonique des atomes. Dans ce processus, les atomes neutres quel que soit leur état, absorbent simultanément plusieurs photons pour atteindre leur état d’ionisation. Ce processus est d’autant plus efficace que le nombre de photons requis pour être absorbé est faible, ce qui revient à une énergie de photon élevée (une faible longueur d’onde). La section efficace de photo-ionisation des états excités: 3 1   *   Ih  2  *  7.9  1018  i      *   h   i  εi* : Energie d’ionisation d’un état excité d’un atome Ih : Potentiel d’ionisation de l’hydrogène Dans la couche de Knudsen, un équilibre thermique s’établit entre les particules de cette couche à travers les collisions dues à la forte densité de ces particules (1019-1020 cm-3). Les dimensions de cette couche de Knudsen sont identiques à celles de la tache focale dans le plan parallèle à la cible et son épaisseur est inférieure à quelques libres parcours moyens (1-10 µm).  Expansion et Emission du plasma A la fin de l'impulsion laser, le plasma constitué d’espèces énergétiques incluant des atomes, des molécules, des électrons, des ions et des clusters subit une détente hydrodynamique. A la sortie de la couche de Knudsen, les particules possèdent globalement la même énergie cinétique Ec due à la thermalisation de la couche de Knudsen. Pour une particule de masse m, sa vitesse v est donc 2 Ec v m La vitesse de chaque particule est inversement proportionnelle à la racine carré de sa masse. Les électrons sont les particules les plus légères, donc les plus rapides. La plus forte densité d’électrons se trouve à l’avant du panache d’ablation suivie par les ions, les neutres, molécules…….. Expansion 3D Expansion 1D (t >  ) (t   )  est la durée d’impulsion Laser