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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Funktionelle Materie und QuantentechnologieAuthor: search.filters.author.Eisfeld, Eugen

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    ItemOpen Access
    Atomistic simulation of ultra-short pulsed laser ablation of Al : an extension for non-thermalized electrons and ballistic transport
    (2022) Eisfeld, Eugen; Förster, Daniel; Klein, Dominic; Roth, Johannes
    For our model material aluminum, the influence of laser pulse duration in the range between 0.5 and 16 ps on the ablation depth is investigated in a computational study with a hybrid approach, combining molecular dynamics with the well known two-temperature model. A simple, yet expedient extension is proposed to account for the delayed thermalization as well as ballistic transport of the excited electrons. Comparing the simulated ablation depths to a series of our own experiments, the extension is found to considerably increase the predictive power of the model.
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    ItemOpen Access
    Molekulardynamische Simulationen der Laserablation an Aluminium unter Einbeziehung von Plasmaeffekten
    (2020) Eisfeld, Eugen; Roth, Johannes (Prof. Dr.)
    Die vorliegende Arbeit widmet sich der Modellierung und Simulation der ultrakurz gepulsten Laserablation am Modellmaterial Aluminium. Das Zweitemperaturmodell, welches das anfängliche thermische Nichtgleichgewicht zwischen den angeregten Elektronen und dem kalten Metallgitter beschreibt wird mit der klassischen Molekulardynamik in einem Hybridansatz gekoppelt. Auf diese Weise wird eine plausible Beschreibung der hierbei stattfindenden, mehrere Zeit- und Längenskalen überspannenden physikalischen Prozesse ermöglicht, ohne auf a priori Annahmen hinsichtlich der metastabilen Phasenübergänge und sonstiger Ablationsmechanismen angewiesen zu sein. Ergänzt wird dieser Ansatz mit unterschiedlichen Modellen für die thermophysikalischen, optischen und Transporteigenschaften des Elektronensystems um einen weiten Temperatur- und Dichtebereich, ausgehend vom kalten Festkörper- bis hin in den heißen Plasmazustand zu berücksichtigen. Das neue Modell wird in das, am ehemaligen Institut für theoretische und angewandte Physik entwickelte Programmpaket IMD implementiert und erweitert den Anwendungsbereich auf Ablations-Simulationen bei hohen Laserintensitäten und Mehrfachpulse. In dieser Arbeit wird es unter anderem dafür eingesetzt, die experimentell beobachtete Sättigung der Ablationseffizienzbei hohen Intensitäten sowie die Abnahme der Abtragstiefe bei Doppelpulsen mit zunehmendem Pulsabstand zu untersuchen. Im Vordergrund steht dabei immer der Vergleich mit dem Experiment. Im Falle von ultrakurzen Pulsen kann eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Messungen erzielt werden. Als essentiell erweist sich hierbei das Einbeziehen der verminderten Elektronen-Ionen Stoßfrequenz beim allmählichen Übergang in den Plasmazustand sowie eine vollständig wellenoptische Behandlung der Licht-Materie-Wechselwirkung. Für Pulsdauern oberhalb von 1 ps führt eine Erweiterung des Modells zur Berücksichtigung des ballistischen Transports angeregter Elektronen, sowie deren verzögerte Thermalisierung zu zuverlässigen Vorhersagen der Abtragstiefen. Auf Grundlage der Simulationen sowie simpler thermodynamischer Überlegungen werden Kriterien, in Form von Schwellenwerten für die isochore Temperaturzunahme formuliert, die eine systematische Kategorisierung der unterschiedlichen Ablationsmechanismen erlauben. In diesem Zusammenhang kann ferner festgestellt werden, dass die Phasenexplosion entgegen der Behauptung einiger Autoren, eine Besonderheit der ultrakurzen Laserablation ist. Bei Pulsdauern im Bereich einiger Pikosekunden hingegen wird festgestellt, dass die Ablation hauptsächlich auf einem Mechanismus beruht, der in der Literatur als Fragmentierung bekannt ist.
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    ItemOpen Access
    Molecular dynamics simulations of the laser ablation of silicon with the thermal spike model
    (2021) Klein, Dominic; Eisfeld, Eugen; Roth, Johannes
    The purpose of this work is to model laser ablation of silicon on an atomistic scale in combination with a mesoscale model for the description of the electron-phonon interaction and an electron-temperature dependent interaction potential. The well-known continuum two-temperature model (TTM) for solids with highly excited electrons is extended from metals to silicon by explicitly taking charge carrier transport effects into account (nTTM). This is accomplished by the drift-diffusion limit of the Boltzmann-transport equation leading to the so called thermal-spike model (TSM). The model is further enhanced by extending the static modified Tersoff potential to a dynamical carrier excitation dependent interaction potential. We compare the TSM and nTTM with regard to physical correctness, numerical stability and applicability in the context of large-scale massive parallel high performance computing.