Relationship between self-organization and creation/resorption of microstructural defects under ultrashort laser irradiation
Relation entre auto-organisation et création/résorption de défauts microstructuraux sous irradiation laser ultrabrèves
Résumé
Irradiation of materials by ultrashort laser pulses triggers anisotropically structured arrangement of matter on the nanoscale, the so-called laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ‘ripples’. Ultrashort laser energy deposited and distributed inhomogeneously in the material launches local thermal stresses and transient phase changes yielding microstructural modifications. This thesis focuses on the role of irradiated surface alteration as well as in-depth microstructural modifications in promoting LIPSS formation, by establishing a correlation between self-organization of matter and defect generation taking into account crystalline orientation. Since LIPSS are generated at the threshold of phase transition, then the correlation with defects formation is relevant. An experimental study coupled with molecular dynamic MD simulations performed in the University of Virginia suggest that surface alteration generated by a single pulse irradiation of monocrystalline Cr samples in the spallation regime is likely to play a main role in triggering high-spatial frequency LIPSS generation upon irradiation by multiple laser pulses. Atomic force microscopy as well as computational results suggested that the nanoscale surface features are crystalline orientation dependent. The higher surface roughness generated by the first laser pulse activates scattering of the laser light and the local field enhancement upon irradiation by the second laser pulse, leading to the formation of much more pronounced high-spatial frequency structures on the (100) surface as compared to (110) one. An extended in-depth experimental study, using electron backscattered and transmission microscopy, combined with large-scale two-temperature model TTM-MD simulations revealed that Cr (110) is more likely to get damaged. It is found that laser-induced defects can alter the surface topography and the region beneath it which can impact in turn the roughness center features promoting high-spatial frequency structures formation. In order to infer the phase transition undergone in the LIPSS region, a high resolution microstructural analysis approach coupled with hydrodynamic calculations is employed, including epitaxial regrowth and nanocavitation. High-spatial frequency structures formation is found to be the result of periodic nanovoids trapped beneath the surface as well as nanocavities emerged at the surface on fcc materials. Furthermore, since optical feedback in LIPSS is often evoked, the behavior of dynamical surfaces was probed by photoemission electron microscopy and supported by electromagnetic calculations. A periodic character of photoelectrons emitted from nanoholes was unveiled, which in turn verified a modulated energy deposition. The performed work not only contributes to the progress towards the general goal of untangling the complex multiscale phenomenon of the LIPSS formation, but unlocks a new experimental setup to generate unconventional structures with extreme periodicities (~60 nm), which offers new opportunities in ultrafast laser processing of metals.
L’irradiation des matériaux par des impulsions laser ultrabrèves déclenche un agencement anisotrope de la matière à l’échelle nanométrique: des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS). L'énergie laser déposée et distribuée de manière inhomogène dans le matériau induit des contraintes thermiques locales et des changements de phase transitoires entraînant ainsi des modifications microstructurales. Cette thèse porte sur le rôle de l'altération de la surface irradiée ainsi que les modifications microstructurales en profondeur dans la contribution à la formation des LIPSS, en établissant une corrélation entre l'auto-organisation de la matière et la génération de défauts en tenant en compte de l'orientation cristalline. Comme les LIPSS sont générés au seuil de transition de phase, l’étude de la corrélation avec les défauts induits est alors pertinente. Une étude expérimentale couplée à des simulations de dynamique moléculaire effectuées à l’Université de Virginie suggère que l'altération de surface générée par une irradiation d'échantillons monocristallins de Chrome dans le régime de spallation est susceptible de jouer un rôle majeur dans le déclenchement de génération de LIPSS de haute fréquence spatiale. La microscopie à force atomique ainsi que les résultats de simulations attestent que les caractéristiques de rugosité de surface à l'échelle nanométrique dépendent de l'orientation cristalline. La forte rugosité de surface générée par la première impulsion laser active la diffusion de la lumière laser et l’exaltation du champ local lors des irradiations ultérieures, ce qui génère des structures LIPSS de haute fréquence plus prononcés du côté (100) que celle du (110). Une étude expérimentale approfondie, utilisant la microscopie électronique rétrodiffusés et transmission, a révélé que le Cr (110) est plus susceptible d'être endommagé que les autres orientations cristallines de surface. On constate que les défauts induits par le laser peuvent altérer la topographie de surface et la région sous-jacente, ce qui peut avoir un impact sur les caractéristiques des centres de rugosité favorisant la formation de structures de fréquence spatiale élevée. Afin d’accéder à la transition de phase subie dans la région de formation des LIPSS, une approche d'analyse microstructurale à haute résolution couplée à des calculs hydrodynamiques est utilisée, comprenant la croissance épitaxiale et la nanocavitation. La formation de structures de fréquence spatiale élevée est le résultat de nanocavités périodiques piégés sous la surface, ainsi que des nanocavités apparues à la surface des matériaux cubiques faces centrées.De plus, étant donné que le feedback dans la formation des LIPSS est souvent évoquée, le comportement dynamique des surfaces a été sondé par microscopie électronique à photoémission et étayé par des calculs électromagnétiques. Un caractère périodique des photoélectrons émis par les creux des LIPSS a été mis en évidence, ce qui a permis de vérifier la modulation du dépôt d'énergie.Le travail effectué contribue non seulement à progresser vers l'objectif général d’élucider le phénomène complexe multi-échelles de la formation des LIPSS, mais ouvre une nouvelle voie expérimentale pour générer des structures non conventionnelles avec des périodicités extrêmes (~60nm), offrant ainsi de nouvelles opportunités pour le traitement laser ultrarapide des métaux.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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