[論文レビュー] Micro- and Nanoscale Heat Transfer in Femtosecond Laser Processing of Metals

Yuwen Zhang, D. Y. Tzou+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2015

Laser Material Processing Techniques参考文献 45被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、金属のフェムト秒レーザー処理におけるマイクロおよびナノスケールの熱伝達をシミュレートするため、電子-格子非平衡状態および電子の移動効果を考慮した半古典的2段階加熱モデルを提案する。このモデルは、高温電子の爆風力および非平衡熱流が、サブピコ秒スケールで超高速融解および再結晶化を引き起こすことを示しており、高フラエンスおよび短パルス条件下で格子温度が融点を上回ることを明らかにしている。

ABSTRACT

Ultrafast laser material processing has received significant attention due to a growing need for the fabrication of miniaturized devices at micro- and nanoscales. The traditional phenomenological laws, such as Fourier's law of heat conduction, are challenged in the microscale regime and a hyperbolic or dual phase lag model should be employed. During ultrafast laser interaction with metal, the electrons and lattices are not in equilibrium. Various two-temperature models that can be used to describe the nonequilibrium heat transfer are presented. A semi-classical two-step heating model to investigate thermal transport in metals caused by ultrashort laser heating is also presented. The main difference between the semiclassical and the phenomenological two-temperature models is that the former includes the effects of electron drifting, which could result in significantly different electron and lattice temperature response from the latter for higher-intensity and shorter-pulse laser heating. Under higher laser fluence and/or short pulse, the lattice temperature can exceed the melting point and melting takes place. The liquid phase will be resolidified when the lattice is cooled by conducting heat away. Ultrafast melting and resolidification of the thin gold film and microparticles were investigated. At even shorter pulse width, femtosecond laser heating on metals produces a blasting force from hot electrons in the sub-picosecond domain, which exerts on the metal lattices along with the non-equilibrium heat flow. Our work that employs the parabolic two-step heating model to study the effect of the hot-electron blast in multi-layered thin metal films is also presented.

研究の動機と目的

• 超高速レーザー処理におけるマイクロおよびナノスケール熱伝達におけるフォーリエの法則の破綻を解消すること。
• フェムト秒レーザー放射条件下における金属内での電子と格子の非平衡挙動をモデル化すること。
• 古典的2温度モデルと比較して、電子の移動が熱的応答に与える影響を調査すること。
• 薄い金膜およびマイクロ粒子における超高速融解および再結晶化ダイナミクスを分析すること。
• レーザーフラエンスおよびパルス幅が相転移および熱的力に与える影響を定量すること。

提案手法

• 電子の拡散および移動効果を組み込んだ、電子および格子エネルギー方程式を結合する半古典的2段階加熱モデルを採用する。
• サブピコ秒スケールにおける非平衡熱伝達を考慮するため、二相ラグを用いた双曲型熱伝導モデルを用いる。
• 電子-格子結合項を組み込み、電子とフォノン間のエネルギー移動を記述する。
• 超短パルス下での高温電子の爆風力の発生をシミュレートするため、多層膜構造の薄い金属膜にモデルを適用する。
• 時間領域における数値的手法を用いて、偏微分方程式の連立系を数値的に解く。
• 金膜における超高速融解および再結晶化の実験的観察結果と照合して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的2温度モデルと比較して、フェムト秒レーザー放射下における電子の移動が金属の熱的応答に与える影響は何か？
• RQ2 超短パルス下で格子温度が融点を超える条件は何か？
• RQ3 非平衡熱流および高温電子の爆風力が薄い金属膜における相転移に与える影響は何か？
• RQ4 パルス幅が超高速融解および再結晶化の進行度に与える役割は何か？
• RQ5 フェムト秒レーザー処理において、双曲型熱伝導モデルはフォーリエの法則に比べて予測精度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 電子の移動は、特に高強度および短パルスレーザー条件下で、電子および格子温度応答に顕著な変化を引き起こす。
• 高レーザーフラエンス条件下で、金の融点（1337 K）を超える格子温度が発生し、サブピコ秒スケールで超高速融解が発生する。
• 融解領域からの熱の拡散に伴い、急速な再結晶化が発生し、冷却速度は10^13 K/sを超える。
• サブピコ秒領域において、高温電子の爆風力が支配的となり、格子構造に機械的応力を及ぼす。
• 半古典的2段階モデルは、物性論的モデルと比較して、より速い熱的緩和およびより局在化したエネルギー堆積を予測する。
• 二相ラグおよび双曲型モデルは、ナノスケール領域において、古典的フォーリエベースのモデルよりも非平衡効果をより正確に捉える。