[논문 리뷰] Micro- and Nanoscale Heat Transfer in Femtosecond Laser Processing of Metals

Yuwen Zhang, D. Y. Tzou외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 08.

Laser Material Processing Techniques참고 문헌 45인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 금속의 펌토세컨드 레이저 가공 중 미세 및 나노스케일 열전달을 시뮬레이션하기 위해 전자-격자 비균형 및 전자 이동 효과를 고려한 반고전적 이단계 가열 모델을 제안한다. 이는 뜨거운 전자 폭발력과 비균형 열류가 초고속 융해 및 재결정화를 유도하며, 고강도 조사 및 짧은 펄스 조건에서 격자 온도가 융해점 이상에 도달함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 레이저 가공 중 마이크로 및 나노스케일 열전달에서 푸아죄의 법칙의 붕괴 문제를 다루기 위해.
• 펌토세컨드 레이저 조사 조건에서 금속 내 전자와 격자 간의 비균형 거동을 모델링하기 위해.
• 기존의 고전적 이온도 모델에 비해 전자 이동이 열적 반응에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 박막 금속 필름 및 마이크로입자에서의 초고속 융해 및 재결정화 역학을 분석하기 위해.
• 레이저 조사량과 펄스 지속시간이 상전이 및 열적 힘에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 전자 확산 및 이동 효과를 고려한 전자 및 격자 에너지 방정식을 결합한 반고전적 이단계 가열 모델을 채택한다.
• 서브피코세컨드 시간 스케일에서 비균형 열전달을 고려하기 위해 이중상지연을 가진 쌍곡형 열전도 모델을 사용한다.
• 전자-격자 결합 항을 포함하여 전자와 격자 진동자간의 에너지 전달을 기술한다.
• 초단시간 레이저 펄스 기간 동안 뜨거운 전자 폭발력이 작용하는 다층 박막 금속 필름에 모델을 적용한다.
• 시간 영역에서 수치적으로 연립 편미분 방정식 시스템을 해결하기 위해 계산 기법을 활용한다.
• 금 필름에서의 초고속 융해 및 재결정화 실험 관측 결과와의 정합성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 이온도 모델에 비해 펌토세컨드 레이저 조사 조건에서 전자 이동은 금속의 열적 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 초단시간 레이저 펄스 조건에서 격자 온도가 융해점 이상에 도달하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 비균형 열류와 뜨거운 전자 폭발력은 박막 금속 필름의 상전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 펄스 지속시간은 초고속 융해 및 재결정화의 정도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 쌍곡형 열전도 모델은 펌토세컨드 레이저 가공에서 푸아죄의 법칙 대비 예측 정확도를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 전자 이동은 고강도 및 단시간 펄스 레이저 조건에서 전자 및 격자 온도 반응에 상당한 영향을 미친다.
• 고강도 레이저 조사 조건에서 격자 온도는 금의 융해점(1337 K)을 초과하여 피코세컨드 이내에 초고속 융해가 발생한다.
• 열이 융해 영역에서 빠르게 전도되면서 빠른 재결정화가 발생하며, 냉각 속도는 10^13 K/s를 초과한다.
• 뜨거운 전자 폭발력은 피코세컨드 이내에 지배적인 힘으로 작용하여 격자 구조에 기계적 응력을 가한다.
• 반고전적 이단계 모델은 현상학적 모델보다 더 빠른 열적 회복 및 더 국소화된 에너지 침착을 예측한다.
• 이중상지연 및 쌍곡형 모델은 나노스케일 영역에서 고전적 푸아죄 기반 모델보다 비균형 효과를 더 잘 반영한다.