Comparison of 1D-, 2D- AND 3D- atomistic models for laser ablation of aluminum
In this work the femtosecond laser pulse modification of surface is studied for aluminum (Al) and gold (Au) by use of two-temperature atomistic simulation. The results are obtained for various atomistic models with different scales: from pseudo-one-dimensional to full-scale three-dimensional atomistic simulation. The surface modification after laser irradiation can be caused by ablation and melting. At low energy of laser pulse, the nanoscale ripples on surface may be induced by the melting without laser ablation. The nanoscale changes of the surface are due to the splash of molten metal under temperature gradient. The laser ablation occurs at a higher pulse energy when a crater is formed on the surface.
laser ablation, molecular dynamics, two-temperature model
В работе представлены результаты исследования модификации поверхности алюминия фемтосекундными лазерными импульсами методом двухтемпературного атомистического моделирования. Проведено моделирование на различных масштабах — от квазиодномерной модели до полномасштабных трехмерных атомистических расчетов. Показано, что модификация поверхности может происходить вследствие абляции или плавления. При низкой мощности лазерного импульса на поверхности могут возникать наноразмерные волны при плавлении в отсутствие абляции. В этом случае возникает наномодификация поверхности за счет расплескивания расплава из-за температурного градиента. При больших мощностях лазерного импульса наблюдалась абляция поверхностного слоя с образованием кратера.
двухтемпературная модель, абляция, наноструктуры, молекулярная динамика, модификация поверхности
1. Иногамов Н.А., Жаховский В.В., Ашитков С.И., Петров Ю.В., Агранат М.Б., Анисимов С.И., Нишихара К., Фортов В.Е. О наноотколе после воздействия ультракороткого лазерного импульса // ЖЭТФ, 2008, Т. 134, № 1, С. 5-28. 2. Артюков И.А., Заярный Д.А., Ионин A.A.и др. Релаксационные процессы электронной и решеточной подсистем при абляции поверхности железа ультракороткими лазерными импульсами // Письма в ЖЭТФ, 2014, Т. 99, № 1, С. 54-58. 3. S.V. Starikov, A.Y. Faenov, T.A. Pikuz et al.Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces // Appl. Phys. B, 2014, V. 116, no. 4, Pp. 1005-1016. 4. Ашитков С.И., Иногамов Н.А., Жаховский В.В. и др. Образование нанополостей в поверхностном слое алюминиевой мишени при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ, 2012, Т. 95, № 4, С. 192-197. 5. Ионин A.A., Кудряшов С.И., Лигачев А.Е. и др. Наномасштабная кавитационная неустойчивость поверхности расплава вдоль штрихов одномерных решеток нанорельефа на поверхности алюминия // Письма в ЖЭТФ, 2012, Т. 94, № 4, С. 289-291. 6. D.S. Ivanov, A.I. Kuznetsov, V.P. Lipp et al. Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment // Appl. Phys. A, 2013, V. 111, No. 3, Pp. 675-687. 7. C. Wu, L. Zhigilei. Microscopic mechanisms of laser spallation and ablation of metal targets from large-scale molecular dynamics simulations // Appl. Phys. A, 2013, V. 114, no. 1, Pp. 11-32. 8. X.-Y. Liu, Wei Xu, S. M. Foiles and J. B. Adams. Atomistic studies of segregation and diffusion in Al-Cu grain boundaries // Appl. Phys. Lett., 1998, V. 72, P. 1578. 9. D.M. Duffy, A.M. Rutherford. Including the effects of electronic stopping and electron–ion interactions in radiation damage simulations // J. Phys.: Condensed Matter, 2007, V. 19, no. 1, P. 016207. 10. D.Y. Tzou, J.K. Chen, J.E. Beraun. Hot-electron blast induced by ultrashort-pulsed lasers in layered media // Int. J. Heat Mass Transfer, 2002, V. 45, no. 16, P. 3369–3382. 11. Norman G.E., Starikov S.V., Stegailov V.V. et al. Atomistic modeling of warm dense matter in the two-temperature state // Contrib. Plasma Phys. 2013. V. 53. Pp. 129-139. 12. Pisarev V.V., Starikov S.V. Atomistic simulation of ion track formation in UO2 // J. Phys.: Condens. Matter, 2014. V. 26, no. 47, P. 475401. 13. S.J. Plimpton. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J. Comp. Phys., 1995, V. 117, Pp. 1-19.
