Dinámica de propagación de la interfaz sólido-líquido en Ge tras la irradiación con láser de ns y fs

31 Ago, 2022 | LPG

El grupo de Procesado por Láser ha conseguido un nuevo avance en la irradiación con pulsos láser en germanio. Se han determinado las dinámicas de fusión y solidificación de la capa fundida con láser.

El procesado láser de materiales

Debido a su capacidad para modificar de forma controlada la morfología de la superficie y ciertas propiedades físicas de los materiales, el procesamiento láser con pulsos rápidos y ultrarrápidos se utiliza en muchas aplicaciones, como en la ciencia fotovoltaica, la nanofotónica o la optoelectrónica.
Para todas estas aplicaciones, es importante tener un conocimiento preciso de los mecanismos de la interacción luz/materia, especialmente cerca de los umbrales de cambio de fase (por ejemplo, fusión y ablación). Dada la naturaleza rápida (nanosegundo) o ultrarrápida (pico y femtosegundo) de los mecanismos implicados, en las últimas décadas se han desarrollado y aplicado técnicas de excitación-muestreo en diferentes materiales y condiciones de excitación.

¿Qué es la técnica de excitación-muestreo?

La técnica de excitación-muestreo nos permite estudiar fenómenos ultrarrápidos en el interior de la materia, como el movimiento de los átomos o la excitación de electrones, gracias a pulsos láser muy cortos.
Para hacer esto, se envía un pulso láser muy corto e intenso, la «excitación», sobre un material para excitarlo. Un segundo pulso más débil, el «muestreo», se envía justo después y lo que le suceda nos dará información del efecto del primer pulso. Cambiando el intervalo temporal entre el primer y el segundo pulso, podemos reconstruir la evolución de la excitación en el transcurso del tiempo y así “filmarla” con resolución de femtosegundos.

Esta técnica se basa en la monitorización con alta resolución temporal de una determinada propiedad óptica del material de interés (como el índice de refracción, la reflectividad o la transmisión de la luz) tras o durante la irradiación con láser. Dada la relación directa de esta propiedad con la fase estructural (sólido, líquido o gaseoso) y la temperatura del material, su evolución temporal permite conocer la forma en que se funde, se solidifica o se evapora en función de la energía del pulso láser, así como medir el índice de refracción de las fases del material sólido caliente y no sólido.

Sin embargo, hasta ahora no se podía medir el espesor de la capa fundida del Ge con esta técnica porque la cantidad de luz reflejada por el material fundido no varía con el espesor que tenga (pensad en una superficie de mercurio).

En este trabajo, el equipo investigador ha presentado un método alternativo para conocer la evolución del espesor y la velocidad de avance de la capa fundida tras la irradiación láser, mediante la combinación de las medidas de reflectividad en tiempo real con cálculos termodinámicos teóricos resueltos utilizando una técnica de elementos finitos. Para ello, se ha estudiado la dinámica teórica de fusión y solidificación provocada por pulsos láser cortos (ns) y ultracortos (fs) en Germanio. A través de las medidas de reflectividad en tiempo real e imágenes de microscopía con resolución de femtosegundos, han determinado experimentalmente las duraciones de la capa fundida en función de la energía del pulso y las han comparado con los resultados obtenidos por los cálculos teóricos.
De esta forma usando las duraciones de la capa fundida medidas experimentalmente, han conseguido calcular indirectamente la evolución del espesor de la capa de germanio fundido en función del tiempo, así como las velocidades promedio de fusión y solidificación, que de otra forma no serían medibles a través de experimentos de excitación-muestreo.

Diferentes gráficas que muestran la cantidad de material que se ha fundido en cada caso
Los resultados obtenidos revelan diferencias considerables en la profundidad máxima de la capa fundida de germanio mediante pulsos de nanosegundo o femtosegundo.

También se han calculado las velocidades de fusión y solidificación del germanio. Para la fusión con pulsos de nanosegundo, se obtuvieron velocidades máximas de 39 m s−1 y para la posterior solidificación las velocidades máximas eran de 16 m s-1. Para pulsos de femtosegundo, se consiguieron velocidades de solidificación de hasta 55 m s-1 y encontraron signos débiles de amorfización, lo que sugiere que la velocidad mínima de solidificación necesaria para conseguir una amorfización completa está por encima de 55 m s−1.

¿Qué es la amorfización?

La amorfización es un proceso de solidificación rápida, la velocidad es tal que sus átomos no se colocan de forma ordenada. De esta forma el sólido amorfo tiene propiedades distintas como por ejemplo, puede ser más duro que el sólido cristalino.

Este es un trabajo de colaboración entre el Laser Processing Group del Instituto de Óptica del CSIC, el Departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid, y el College of Engineering Mathematics and Physical Sciences de la University of Exeter.

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