Modifications d'une couche mince sur un substrat, induites par l'irradiation mono-impulsionnelle UV ns - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Modifications induced by a mono-pulse UV ns irradiation, of a thin layer of oxide on a vitreous substrate

Modifications d'une couche mince sur un substrat, induites par l'irradiation mono-impulsionnelle UV ns

Résumé

The use of lasers for shaping materials is expanding. The industrial interest in these new tools has notably increased. They allow to make the fabrication process cheaper, faster, more flexible and more accurate compared to other shaping techniques. However, it is important to understand the light-matter interaction mechanisms in defined illumination conditions in order to optimize such fabrication processes. We have studied modifications/transformations induced during a single-pulse nanosecond UV laser irradiation on systems constituted of a thin layer (absorbent in the UV to a certain extent) of SiO2 and TiO2 deposited on an oxide glass substrate.According to treatment conditions (power and pulse duration), we observed and analyzed crystallizations and ablations using different methods. They were determined by means of a morphological (AFM topography and phase-shift), structural (Raman, SEM EBSD) and chemical (SEM EDS) study. Preceding the crystallizations, fictive temperature changes are predicted but it is difficult to observe them on a thin layer. Assuming that the modifications cited above are solely determined by the temperature distribution induced by the deposition of energy from the absorption of laser light, we sought to establish a numerical simulation tool. To this end, we calculated the temperature distribution in space and time by solving the Fourier equation by finite elements. Using this tool and the experimental observations, we were able to specify that threshold temperatures of ablation were above the melting temperature but below the boiling temperature. Although the Fourier equation does not include the ablation mechanism, we have proposed extending this approach by introducing a reduction coefficient of the incidental energy accounting for the losses due to the ablated material.The optimized numerical model allowed us to understand the processes that took place over time: crystallization in the form of anatase or rutile rings observed in the case of the TiO2 layer, by determining where the heat treatment curve reaches the crystallization domains in a pulse of about ten ns.Finally, the established numerical model was applied to other systems to study temperatures distribution in order to predict modifications/transformation of materials induced by single-pulse laser heat treatment.
L'utilisation des lasers pour la mise en forme des matériaux est en plein expansion. L'intérêt industriel pour ces nouveaux outils a cru considérablement, car ils permettent de rendre le processus de fabrication moins cher, plus rapide, plus flexible et plus précis en comparaison d'autres techniques de mise en forme. Mais, pour optimiser de tels procédés de fabrication, il est important de comprendre les mécanismes d'interaction lumière-matière, dans des conditions d'illumination définies.Nous avons étudié les modifications/transformations induites lors d'une irradiation laser UV mono-impulsionnelle nanoseconde sur des systèmes constitués d'une couche mince (plus ou moins absorbante dans l'UV) de SiO2 et TiO2 déposée sur substrat de verre d'oxydes.Selon les différentes conditions de traitement (puissance et durée d'impulsion), on a observé et analysé par différentes méthodes, des cristallisations et des ablations. Elles ont été caractérisées par étude morphologique (topographie AFM et par décalage de phase), structurale (Raman, MEB EBSD), ainsi que chimique (MEB EDS). Précédant les cristallisations, des changements de température fictive sont prédites, mais sont difficiles à observer sur couche mince.En ayant fait l'hypothèse que les modifications citées plus haut soient uniquement déterminées par la distribution de température induite par le dépôt d'énergie provenant de l'absorption de la lumière laser, nous avons cherché à établir un outil de simulation numérique. A cette fin, nous avons calculé la distribution de température dans l'espace et dans le temps en résolvant l'équation de Fourier par éléments finis. A l'aide de cet outil et des observations expérimentales, nous avons pu préciser que les températures seuil d'ablation se situaient au dessus de la température de fusion mais en dessous de celle d'ébullition. Par ailleurs, bien que l'équation de Fourier n'inclut pas le mécanisme d'ablation, nous avons cependant proposé d'étendre cette approche en introduisant un coefficient de réduction de l'énergie incidente rendant compte des pertes dues à la matière ablatée.Le modèle numérique ainsi optimisé nous a permis de comprendre les processus qui ont lieu au cours du temps : cristallisation sous forme d'anneaux d'anatase ou de rutile, observés dans le cas de la couche de TiO2, en déterminant où la courbe de traitement thermique accède aux domaines de cristallisation en une impulsion d'une dizaine de ns.Enfin, le modèle numérique établi a été appliqué à d'autres systèmes pour étudier les distributions de températures à des fins de prédire des modifications/ transformation de matériaux induites par traitement thermique par laser mono-impulsionnel.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04263670 , version 1 (29-10-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04263670 , version 1

Citer

Driffa Guerfa-Tamezait. Modifications d'une couche mince sur un substrat, induites par l'irradiation mono-impulsionnelle UV ns. Physique Classique [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPASF065⟩. ⟨tel-04263670⟩
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