Computermodellierung der Laserbearbeitung von Metallen

Die Kurzpulslaserbestrahlung kann zur Erzeugung von komplexen Oberflächenstrukturen mit verschiedenen Längenskalen, der Herstellung von metastabilen Phasen und ungewöhnlichen Mikrostrukturen genutzt werden. Diese vielfältigen Möglichkeiten der Strukturgebung sind experimentell nachgewiesen und beruhen auf elektronischen, thermischen, und mechanischen Prozessen, die fernab des thermodynamischen Gleichgewichts ablaufen. Dieser Zustand wird durch die schnelle Laseranregung des Targets erzeugt. Das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse, die sich in der Laser-bestrahlten Probe abspielen, und insbesondere das Verständnis des Zusammenhangs zwischen den schnellen Prozessen fernab des thermodynamischen Gleichgewichts und der entstehenden Struktur und Eigenschaften der laser-bestrahlten Probe, ist unvollständig. Diese fehlende Einsicht verhindert gegenwärtig die erfolgreiche Anwendung der Lasertechnologien in der Strukturierung und Bearbeitung von Materialien in der Nanotechnologie. Die Kernziele unseres Forschungsantrags sind: (1) Entwicklung von hochentwickelten, multiscale Modellen und Berechnungsverfahren, die detailierte Information zu Mechanismen und Kinetik von schnellen Struktur- und Phasenübergängen fernab des thermodynamischen Gleichgewichts, erschliessen. Diese Phasenübergänge werden von kurzen Laserpulsen in metallischen Proben ausgelöst. (2) Verständnis der wichtigsten Faktoren, die die Oberflächenstruktur und Morpholgie der Laser-bestrahlten Proben bestimmen. Eine der wesentlichen Komponenten unseres Programs ist der Entwurf und die eingehende Prüfung eines neuen, synergistischen, mehrskaligen Berechnungsverfahren (computational approach) in dem large-scale atomistische Simulationen der anfänglichen Reaktion des Materials auf die Anregung durch den kurzen Laserpuls mit continuum-level Simulationen verknüpft werden. Die atomistischen Simulationen beschreiben under anderem, schnelles Schmelzen, Cavitation, explosives Sieden und den Phasenzerfall von überhitzten Flüssigkeiten, während die continuum-level Simulationen das relativ langsame Fliessen der flüssigen Oberflächenregion, und deren Erstarrung erfassen. Dieses neue Berechnungsverfahren wird zum ersten Mal detaillierte Einblicke in das komplexe Wechselspiel zwischen Laser-induzierten Prozessen mit unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ermöglichen. Es wird unter anderem den Zusammenhang zwischen Bestrahlungsparametern, Materialeigenschaftern, Orientierung von Kristalliten in polykristallinen Materialien, und der Konfiguration von bestrahlungserzeugten Defekten erschliessen. Das Forschungsprogram wird in enger Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen der Universität Wien und anderen Österreichischen und Europäischen Wissenschaftlern durchgeführt werden. Wir werden uns zu Beginn des Verbundprojekts, das computerbasierte Berechnungsverfahren und Experimente verbindet, auf folgende Fragestellungen konzentieren: (i) die Untersuchung der physikalischen Grundlagen des sogenannten Inkubationseffekts unter dem man die Veränderung der Oberflächenstruktur von Puls zu Puls zu Beginn der Bestrahlung versteht, bei der Wechselwirkung von Mehrfachpulsen mit Metallen, (ii) die Besonderheiten in der Laserbehandlung von mehrlagigen Targetmaterialien, und (iii) Entwicklung des Verständnisses der relevanten Mechanismen bei der Laserbearbeitung von Metalloberflächen in Flüssigkeiten. Wir erwarten, dass der Einfluss unserer Arbeiten weit über den zeitlichen Rahmen des Lise Meitner Programms hinausgehen wird. Dieses Programm wird entscheidend zu einer Weiterführung und Vertiefung unserer Arbeiten im Rahmen einer langfristigen internationalen Zusammenarbeit beitragen.

Die bedeutendsten wissenschaftlichen Fortschritte des Projekts sind: (1) Aufklärung der Mechanismen, die für eine kurze Pulslaser-induzierte Modifikation der Oberflächenmikrostruktur von Metalltargets verantwortlich sind und die im Regime des Schmelzens und der Wiederverfestigung im Vakuum und in Gegenwart von festen oder flüssigen Deckschichten bestrahlt wurden; (2) Etablierung von Prozessen, die für die Erzeugung von Hohlräumen im Festkörperinneren, für Inkubationseffekte und die Bildung von Nanopartikeln in kurzen Pulslaser-Wechselwirkungen mit Bulk-Metall-Targets in Flüssigkeiten verantwortlich sind; und schließlich (3) detaillierte Analyse der Bedingungen, die zur Bildung von verschiedenen amorphen Phasen und zur Bildung von Kristalldefekten bei der kurzen Pulslaser-Verarbeitung von Silizium führen. Diese Fortschritte wurden durch die Anwendung von atomistischen und Kontinuum-Level-Computer-Simulationsmodellen von Laser-Material-Wechselwirkungen erreicht. Insgesamt haben die Ergebnisse der Simulationen wichtige Einblicke in die Mechanismen der laserinduzierten Veränderung von Metallen und Silizium, vielversprechende Bestrahlungsregime und Bedingungen für künftige Experimente und faszinierende Forschungsfragen, die in zukünftigen Studien behandelt werden sollen, ergeben. Die Forschungsergebnisse, die in diesem Projekt erzielt wurden, führten zu fünf Veröffentlichungen und zwei eingereichten Manuskripten und zu 13 Seminarvorträgen und Konferenzgesprächen. Das Projekt ermöglichte eine enge Zusammenarbeit zwischen den Forschungsgruppen von Prof. Kautek (Universität Wien) und Prof. Zhigilei (University of Virginia), die bereits zwei gemeinsame Forschungsarbeiten und mehrere laufende Kooperationsprojekte ergaben. Zusätzliche Kooperationen mit Forschern aus Deutschland, Rumänien, Frankreich und Litauen wurden ebenfalls eingeleitet. Die Kooperationen involvieren junge in Ausbildung befindliche Wissenschaftler und haben eine erhebliche pädagogische Wirkung.