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Formation de nano-structures lors de l'ablation du silicium par laser femtoseconde

Nicolas Berton

Master's thesis (2010)

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Abstract

When a material is irradiated with a laser fluence near its ablation threshold, periodic surface structures appear on its surface. Those structures are perpendicular to the polarisation vector and their periods are close to the laser wavelength. They have been extensivelystudied for more than thirty years, and their origins are quite well understood. However, the recent use of ultra-short laser sources has renewed the subject. Because of the appearance of other structures and the modication of previously observed surface structures having slightlydierent characteristics. In that master thesis, we will propose explanations concerning the origins of those modi fications and the growth of these new structures.Experiments were performed on silicon irradiated by a titanium/sapphire femtosecond laser, by varying several parameters including the fluence, number of pulses, pulse duration and the ambient medium. Some discrepancies with the previous theory of J.Sipe have been observed in the case of \classical ripples", the period obtained after irradiating is slightly random, and denitely lower than the laser incident wavelength; within certain conditionseven two dimensional structures can be observed. Those features have been explained using a Sipe-Drude model which takes the electronic excitation during the pulse into account. Irradiating in a liquid medium, more exotic structures have been observed. In deed, rippleswith higher frequency period approching 100 nm and perpendicular to the polarisation are also formed. Structures growing on the classical ripples are also formed that are parallels to the polarisation and their period is more important than the laser wavelength. Thesestructures are probably due to interference between two surface waves. This study shows that the effect of the excited electron gaz during the laser irradiationcannot be ignored and that other phenomena, previously not taken into account, leads to new structures. Hypothesis on their origins are also discussed.

Résumé

L'irradiation d'un matériau à des fluences proches de son seuil d'ablation fait naitre à sa surface des structures cohérentes périodiques de période de l'ordre de la longueur d'onde,s'étendant perpendiculairement à la polarisation. Celles-ci ont attirées l'attention des chercheurs depuis plus de trente années et leurs origines sont maintenant bien comprises. Cependant,plus récemment, l'utilisation de laser à impulsions ultra-brèves a relancé l'intérêt pour le sujet, suite à l'apparition de nouveaux types de structure et la modification de certaines caractéristiques des "structures classiques". Dans ce mémoire nous proposons des explications permettant de comprendre l'origine de ces modifications et la naissance de ces nouvelles structures.Des expériences de formation de nanostructures périodiques en irradiant du silicium avec un laser femtoseconde Ti-Sapphire ont été effectuées. Celles-ci ont été réalisées en variant la fluence, le nombre d'impulsion, la durée de l'impulsion et en changeant le milieu environnant.Des divergences avec la théorie établie de Sipe ont été observées dans le cas des "structures classiques", notamment une certaine instabilité de la période mesurée et une baisse significative de celle-ci, ainsi que l'apparition de structure se développant en deux dimensions.Celles-ci ont été expliquées en modifiant le modèle précédemment cité en prennant en compte l'excitation du matériau pendant la durée de l'impulsion à travers un terme de Drude,c'est le modèle que l'on appelle Sipe-Drude. Nous avons aussi observé des structures plus exotiques,notamment des structures haute fréquence lors de l'irradiation dans les liquides. Leur période est de l'ordre de 100nm et elles se développent perpendiculairement à la polarisation,et ne sont pas observées lors de l'irradiation dans l'air. L'apparition de structures parallèles à la polarisation par dessus les rides classiques pour des fluences élevées a aussi été reportée. Leur période est supérieure à la longueur d'onde incidente. Des explications plus qualitatives basées sur l'interaction entre deux ondes de surface ont été proposées pour ces phénomènes.Cette étude montre que dans le cas de l'irradiation par une impulsion ultra-brève, il ne faut pas négliger l'excitation du matériau qui a lieu pendant la durée de l'impulsion. Elleindique aussi qu'il existe des phénomènes qui ne sont pas toujours pris en compte et qui vont conduire à la formation de nouvelles structures. Des hypothèses quand à la nature de ceux-ci sont aussi proposées.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Michel Meunier
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/457/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 25 Feb 2011 14:55
Last Modified: 09 Nov 2022 09:46
Cite in APA 7: Berton, N. (2010). Formation de nano-structures lors de l'ablation du silicium par laser femtoseconde [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/457/

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