Исследование лазерной абляции золота с помощью метода молекулярной динамики


Просмотр статьи
PDF, 244,3 КБ

Study of laser ablation of gold by molecular-dynamics method

An atomistic model of ablation is developed that reveals the ultra-low threshold fluence values of this process to be an effect of the high electronic pressure build-up and the comparatively low electron-ion energy relaxation rate in gold. The calculated ablation depth as a function of irradiation fluence is in good agreement with the experimental data. The atomistic model with electronic-temperature-depended ionic potential is developed. The use of this potential makes it possible to take into account the effect of the electron pressure on the behavior of ions. The two various mechanisms of ablation are found from the results of the simulation at sub-picosecond laser pulse.

molecular modeling, laser ablation, warm dense matter, two-temperature states, interatomic interaction potentials, density functional theory

Генри Эдгарович Норман, Сергей Валерьевич Стариков, В. В. Стегайлов

Том 14, выпуск 2, 2013 год



В настоящей работе проведено атомистическое моделирование абляции золота при облучении металлафемто- и пикосекудными лазерными импульсами.. Используется атомистическая модель с явным учетом электронной подсистемы и зависимостью межионного потенциала от электронной температуры. Использование такого потенциала позволяет учесть изменение физических свойств ионной подсистемы при нагревеэлектронной подсистемы. Ионная подсистема описывается классической молекулярной динамикой, в то время как электронная подсистема рассматривается в приближении сплошной среды. По результатам моделирования обнаружено существенное различие между характеристиками абляции при разных длительностях лазерных импульсов. Для абляции при субпикосекундном импульсе удается выделить два механизма разрушения металла, связанных с эволюцией давления в системе.

молекулярное моделирование, лазерная абляция, warm dense matter, двухтемпературные состояния, межатомные потенциалы взаимодействия, теория функционала плотности

Генри Эдгарович Норман, Сергей Валерьевич Стариков, В. В. Стегайлов

Том 14, выпуск 2, 2013 год



1. Vorobyev A.Y., Guo C. Femtosecond laser nanostructuring
of metals // Optics Express. V. 14. 2006. pp. 2164 – 2169.
2. Булгакова Н.М., Стоян Р., Розенфельд А. Лазерно-инду-
цированная модификация прозрачных кристаллов и сте-
кол // Квант. Электр. Т. 40. 2010. C. 966 – 985.
3. Ivanov D., Zhigilei L. Combined atomistic-continuum modeling
of short-pulse laser melting and disintegration of metal
films // Phys. Rev. B. V. 68. 2003. pp. 064114 (22).
4. Lin Z., Zhigilei L., Celli V. Electron-phonon coupling and
electron heat capacity of metals under conditions of strong
electron-phonon nonequilibrium // Phys. Rev. B. V. 77. 2008.
pp. 075133 (17).
5. Demaske B., Zhakhovsky V., Inogamov N., Oleynik I. Ablation
and spallation of gold films irradiated by ultrashort laser
pulses // Phys. Rev. B. V. 82. 2010. pp. 064113 (5).
6. Gan Y., Chen J.K. Integrated continuum-atomistic modeling
of nonthermal ablation of gold nanofilms by femtosecond
lasers // App. Phys. Lett. V. 94. 2009. pp. 201116 (3).
7. Стариков С.В., Стегайлов В.В., Норман Г.Э., Фор-
тов В.Е., Ишино М., Танака М., Хасегава Н., Нишики-
но М., Охба Т., Каихори Т., Очи Е., Имазоно Т., Кава-
чи Т., Тамотсу С., Пикуз Т.А., Скобелев И.Ю., Фае-
нов А.Я. Лазерная абляция золота: эксперимент и атоми-
стическое моделирование // Письма в ЖЭТФ, Т. 93. 2011.
С. 719 – 725.
8. Vorobyev A., Guo C. Enhanced absorptance of gold following
multipulse femtosecond laser ablation // Phys. Rev. B.
V. 72. 2005. pp. 195422 (5).
9. Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Ашитков С.И., Пет-
ров Ю.В., Агранат М.Б., Анисимов С.И., Нишихара К.,
Фортов В.Е. О наноотколе после воздействия ультрако-
роткого лазерного импульса // ЖЭТФ. Т.134. 2008. C. 5-28.