Υπολογιστική μελέτη της παραγωγής και διάδοσης υπερήχων σε στερεούς στόχους πυριτίου υπό την επίδραση παλμών laser

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Ελένη Παπαδάκη, Εμμανουήλ Κανιολάκης Καλούδης, Κωνσταντίνος Καλέρης, Βασίλειος Σαμολαδάς, Μάκης Μπακαρέζος, Μιχαήλ Ταταράκης, Νεκτάριος Παπαδογιάννης, Ευάγγελος Κασελούρης, Βασίλειος Δημητρίου

Κατά την επίδραση φωτός laser σε στερεά υλικά λόγω της ταχείας και μεγάλης απορρόφησης ενέργειας από το υλικό, συμβαίνουν δυναμικές αλλαγές στην περιοχή όπου έδρασε το laser προκαλώντας το σχηματισμό μίκρο- ή νανο- δομών (μόνιμες παραμορφώσεις) στην επιφάνεια του υλικού αλλά και τη δημιουργία επιφανειακών ακουστικών κυμάτων τα οποία διαδίδονται διαμέσου του υλικού. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η υπολογιστική μελέτη μέσω προσομοιώσεων της θερμομηχανικής δυναμικής συμπεριφοράς στερεών στόχων πυριτίου (Si) υπό την επίδραση βραχέων (διάρκειας πικο-δευτερολέπτων, ps, και νανο-δευτερολέπτων, ns) παλμών laser σταδιακά αυξανόμενης ενέργειας. Η επιλογή του πυριτίου σαν υλικό έγινε λόγω της μεγάλης σπουδαιότητάς και της ευρείας χρήσης του σε σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές. Η υπολογιστική μελέτη έγινε με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για την μοντελοποίηση του στόχου δημιουργήθηκε ένα ομοιόμορφο πλέγμα κατάλληλων διαστάσεων (450μm×9μm×450μm) κ υψηλής διακριτοποίησης (1μm×0,03μm×1μm) ικανό να προσομοιώσει τη δυναμική συμπεριφορά του κρυσταλλικού Si. Η επιλογή των διαστάσεων και της διακριτοποίησης έγινε μετά από δοκιμή και σύγκριση αρκετών διαφορετικών επιλογών, ώστε να επιτευχθεί το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα με ανεκτό υπολογιστικό κόστος. Το εμπειρικό μοντέλο Johnson–Cook το οποίο λαμβάνει υπόψιν τις αλλαγές φάσης και την πιθανή θραύση του δοκιμίου στην περίπτωση που η ενέργεια του παλμού είναι υψηλή χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τις ιδιότητες του υλικού. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε ήταν ικανό να προσομοιώσει τη σύνθετη δυναμική του στόχου Si κατά τη διάρκεια και μετά την αλληλεπίδραση με τον παλμό laser και να υπολογίσει σε κάθε χρονικό βήμα τις θερμοκρασίες, τις μετατοπίσεις, τις τάσεις και τις καταπονήσεις που δεχόταν το υλικό. Ο παλμός του laser θεωρήθηκε ότι έχει Γκαουσιανή χρονική και χωρική κατανομή με διάρκεια 6 ns και μήκος κύματος 532 nm στην περίπτωση των ns παλμών, ενώ για την περίπτωση των ps παλμών η διάρκεια του παλμού θεωρήθηκε 10 ps και το μήκος κύματος 1064 nm. Οι προσομοιώσεις υλοποιήθηκαν με χρήση του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων LS-DYNA στον Υπολογιστή Υψηλής Απόδοσης (HPC) Advanced Research Information system (ARIS). Το εύρος της έντασης ακτινοβολίας του laser που εφαρμόστηκε στις προσομοιώσεις ήταν μεταβαλλόμενο, ώστε η μέγιστη θερμοκρασία που αποκτούσε ο στόχος στην περιοχή δράσης του laser να αλλάζει και να κυμανθεί μεταξύ 1000ºC και 2000ºC. Με αυτό τον τρόπο μελετήθηκε η συμπεριφορά του Si σε θερμοκρασίες χαμηλότερες και μεγαλύτερες του σημείο τήξης (1412ºC) του Si. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι σε όλες τις περιπτώσεις, λόγω της έντονης θέρμανσης του υλικού στην περιοχή εστίασης του laser, αρχικά δημιουργήθηκε μια διόγκωση στο κέντρο του στόχου όπου λόγω των ταχύτατων χρονικών μεταβολών της θερμοκρασίας και των τάσεων που αναπτύχθηκαν, δημιουργήθηκαν επιφανειακά ακουστικά κύματα, σε απόσταση περίπου 55-60μm από την περιοχή εστίασης του laser τα οποία διαδόθηκαν με ταχύτητα ~5000m/s σε όλη την έκταση του στερεού. Το πλάτος του παραγόμενου υπέρηχου ήταν μικρό και εμφανίστηκε μακρύτερα από την εστιακή περιοχή εν συγκρίσει με πυκνά μέταλλα, όπως ο Au, εξαιτίας του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής και του υψηλού βάθους διείσδυσης της ακτινοβολίας στο Si. Επίσης παρατηρήθηκε ότι αρκετά ισχυρή ένταση ακτινοβολίας (ικανή να προκαλέσει μόνιμες παραμορφώσεις) οδηγούσε σε σχηματισμό μη γραμμικού υπερήχου λόγω των αναπτυσσόμενων υψηλών μη γραμμικών θερμικών τάσεων στην περιοχή εστίασης του laser. Το φαινόμενο ήταν ιδιαίτερα έντονο όταν η ένταση ήταν πολύ ισχυρή καθότι αναπτύσσονταν θερμοκρασίες μεγαλύτερες του σημείου τήξης και μέρος του υλικού έλιωνε. Στην περίπτωση των ns παλμών ο υπέρηχος εμφανίστηκε στα 20 ns περίπου ενώ στην περίπτωση των ps παλμών, λόγω της μικρής διάρκειας του παλμού χρειάστηκε μεγαλύτερη ένταση ακτινοβολίας για την επίτευξη ίδιων θερμομηχανικών αποτελεσμάτων με αυτές των ns παλμών, ενώ ο υπέρηχος καθυστέρησε πολύ να εμφανιστεί, σε σχέση με τη διάρκεια παλμού, στα 8 ns. Λόγω της μεγαλύτερης έντασης της ακτινοβολίας το πλάτος του υπερήχου ήταν μεγαλύτερο από ότι στην περίπτωση των ns παλμών. Ως μελλοντική εργασία, τα υπολογιστικά αποτελέσματα της εργασίας θα συγκριθούν με πειραματικά αποτελέσματα με χρήση συμβολομετρίας laser.