Dynamique de la formation de nanostructures périodiques par impulsions laser ultrabrèves sur une surface métallique PDF Download
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Book Description
La surface d'un matériau exposé à une irradiation laser à une fluence proche de son seuil d'ablation laisse apparaître des structures périodiques LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structure) d'orientation dépendant de la polarisation de faisceau incident et dont la période est de l'ordre de la longueur d'onde. Les causes de ce phénomène qui suscite l'attention des chercheurs depuis plus d'une trentaine d'années sont maintenant bien connues. Cependant, son étude dans le cadre de l'utilisation récente de lasers à impulsions ultra-brèves fait surgir de nouvelles interrogations et relance l'intérêt pour le sujet. Ce travail est consacré à l'étude dynamique de la formation des nanostructures sur une surface métallique suite à une interaction laser femtoseconde. Nous nous intéressons aux mécanismes responsables de la formation de ces structures et nous proposons des explications permettant de comprendre leur origine. Dans le premier chapitre on présente une étude de l'état de l'art sur la formation des LIPSS, on y aborde les paramètres influant sur la formation de ces structures ainsi que les différents modèles explicatifs élaborés par les chercheurs. Ce chapitre traite également de l'interaction laser matière et de ses différents processus. Le deuxième chapitre met l'accent sur les dispositifs expérimentaux réalisés dans ce cadre. Le troisième chapitre présente, quant à lui une étude expérimentale permettant de rendre compte du rôle de l'excitation du plasmon de surface dans la formation de LIPSS. Dans le quatrième chapitre on analyse les résultats relatifs à l'influence du couplage électron phonon sur la formation des LIPSS. Enfin, le cinquième et dernier chapitre met en évidence le rôle de la relaxation électron-phonon sur la formation des LIPSS à l'aide d'une expérience pompe-sonde.
Book Description
La surface d'un matériau exposé à une irradiation laser à une fluence proche de son seuil d'ablation laisse apparaître des structures périodiques LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structure) d'orientation dépendant de la polarisation de faisceau incident et dont la période est de l'ordre de la longueur d'onde. Les causes de ce phénomène qui suscite l'attention des chercheurs depuis plus d'une trentaine d'années sont maintenant bien connues. Cependant, son étude dans le cadre de l'utilisation récente de lasers à impulsions ultra-brèves fait surgir de nouvelles interrogations et relance l'intérêt pour le sujet. Ce travail est consacré à l'étude dynamique de la formation des nanostructures sur une surface métallique suite à une interaction laser femtoseconde. Nous nous intéressons aux mécanismes responsables de la formation de ces structures et nous proposons des explications permettant de comprendre leur origine. Dans le premier chapitre on présente une étude de l'état de l'art sur la formation des LIPSS, on y aborde les paramètres influant sur la formation de ces structures ainsi que les différents modèles explicatifs élaborés par les chercheurs. Ce chapitre traite également de l'interaction laser matière et de ses différents processus. Le deuxième chapitre met l'accent sur les dispositifs expérimentaux réalisés dans ce cadre. Le troisième chapitre présente, quant à lui une étude expérimentale permettant de rendre compte du rôle de l'excitation du plasmon de surface dans la formation de LIPSS. Dans le quatrième chapitre on analyse les résultats relatifs à l'influence du couplage électron phonon sur la formation des LIPSS. Enfin, le cinquième et dernier chapitre met en évidence le rôle de la relaxation électron-phonon sur la formation des LIPSS à l'aide d'une expérience pompe-sonde.
Author: Christopher Aidan Hartnett Publisher: ISBN: Category : Liquid metals Languages : en Pages : 208
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This dissertation explores the fluid dynamics of nano and microscale liquid metal filaments, with an emphasis on experimentally investigating the influences and causes of filament breakup and metallic nanostructure formation. Understanding and manipulating the liquid state properties of materials, especially metals, have the potential to advance the development of future technology, particularly nanoscale technology. The combination of top-down nanofabrication techniques with bottom-up, intrinsic self-assembly mechanisms are a powerful fusion, because it permits new and unusual nanostructures to be created, whilst revealing interesting nanoscale physics. In fluid dynamics, wetting and dewetting is the spontaneous natural process that occurs when a liquid supported on a substrate seeks to minimize its systems energy. Either by covering the substrate surface, in the case of wetting, or by rupturing and assembling into a collection of smaller liquid fragments; typically droplets, with minimal contact and surface area with the substrate and the surrounding gaseous environment. Due to metal's unique liquid state properties, like low viscosity and high surface energy, the dewetting phase is the prescient realm to experimentally access and study the governing dynamics, instabilities, and mass transport behind metallic nanostructure formation. The work contained in this dissertation seeks to address some basic scientific questions, such as: How to develop reasonably simple but predictive models to describe the competition between instability mechanisms that result in filament coalescence or fragmentation, as a function of filament extent? How to manipulate the intrinsic material properties of liquid metals, like surface energy, to initiate instabilities, like those similar to the Rayleigh-Plateau instability, to encourage self-assembly at the nanoscale? A focused and collaborative approach is contained herein where experiments will be used to drive theoretical and computational simulations and vice versa.
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Les interactions entre un milieu diélectrique et des impulsions laser intenses sont étudiées, d’abord d’un point de vue général, puis dans le contexte de la fabrication de nanostructures de surface auto-organisées. Les bases de l’électromagnétisme, de l’optique et de la physique des plasmas sont posées, avant de présenter la première contribution majeure de cette étude. Un nouveau modèle décrivant la formation de plasma induit par laser dans un milieu diélectrique,nommé delayed rate equations (DRE), est présenté. Ce modèle d’ionisation a les avantages d’être facile à implémenter dans une simulation numérique, peu coûteux en ressources computationnelles. L’émergence de nanostructures périodiques auto-organisées à la surface initialement rugueuseet aléatoire de matériaux exposés à des impulsions laser est ensuite étudiée numériquement, en tenant compte des effets électromagnétiques (équations de Maxwell). La seconde contribution majeure est l’implémentation d’une boucle de rétroaction dans les simulations, entre le champ électromagnétique et le plasma en formation. Ces simulations révèlent un nouveau phénomène, l’auto-reconfiguration de nanostructures de plasma, se produisant durant l’interaction. Finalement, on effectue des simulations multi-impulsionnelles qui permettent d’observer l’évolutionde la forme de la surface après chaque impulsion laser. On observe la croissance de nanostructures de surface ayant une période et une orientation semblables à celles obtenues dans la densité du plasma après sa reconfiguration. Ceci confirme l’hypothèse que les motifs observés dans le plasma peuvent effectivement être inscrits de façon permanente dans la forme de la surface.
Author: Mourad Bounhalli
Author: Mourad Bounhalli
Author: Christopher Aidan Hartnett
Author: Jean-Luc Déziel