0.6.3. Эволюция периодических поверхностных структур в расплавленном поверхностном слое

После окончания лазерного импульса электронная и решеточная температуры выравниваются ( , ) , поверхностный слой плавится. При наличии температурной решетки за счет теплового расширения расплава происходит формирование периодического профиля поверхности с глубиной

,

где - эффективная глубина пространственно-модулированного прогрева, - коэффициент теплового расширения расплава. Силы поверхностного натяжения стремятся сгладить периодическую структуру. Решение уравнений гидродинамики в приближении тонкого слоя с учетом поверхностного натяжения и вязкости расплава дает зависимость глубины поверхностного профиля от времени:

.

Время сглаживания рельефа при , , определяется выражением

, (0.32)

в котором - динамическая вязкость, - поверхностное натяжение.

Для реализации механизма, основанного на пространственно-модулированном тепловом расширении жидкого слоя, требуются быстрое затвердевание за счет диффузии тепла в глубь образца и медленная релаксация пространственно-модулированного температурного поля за счет диффузии тепла в плоскости границы. Сравним характерные времена соответствующих процессов.

Требуемые для оценки времени релаксации периодического профиля на жидкой поверхности (формула (0.32)) значения поверхностного натяжения и вязкости для жидкого графита неизвестны. Однако отношение этих двух характеристик для жидких металлов меняется в сравнительно узких пределах. Для совокупности жидких , , , и это отношение порядка с/см. Считая, что для жидкого графита эта величина не выходит далеко за эти пределы, и полагая 2•10^-6 см, 10⁵ см^-1, получаем оценку 1 нс. Время релаксации пространственно-модулированного температурного профиля за счет диффузии тепла в плоскости границы образца определяется выражением , в котором - коэффициент температуропроводности. Полагая 0,1 см²/с, при 10⁵ см^-1 имеем 1 нс. Затвердевание поверхности в рассматриваемом режиме лазерных воздействий происходит за времена порядка 100 пс.

Сопоставив времена , и , приходим к выводу, что до затвердевания расплавленного приповерхностного слоя сохраняется пространственная модуляция температуры поверхности, с одной стороны, и, вместе с тем, периодический поверхностный профиль не успевает сгладиться за счет поверхностного натяжения, с другой. Все это дает основание полагать, что предложенный механизм формирования периодических поверхностных структур за счет теплового расширения расплавленного приповерхностного слоя графита соответствует проведенному эксперименту.

Следует отметить, что характер и качество образующихся периодических поверхностных мод в значительной мере зависит от первоначального состояния поверхности. Кроме того, при интенсивностях ~ 10¹² Вт/см² могут оказаться заметными полевые поправки к диэлектрической проницаемости, что может привести к зависимости периода поверхностных структур от плотности мощности лазерного излучения.

Что касается образования периодических структур на поверхности кремния (рис. 0.24), то для возникновения поверхностной электромагнитной волны кремний требуется расплавить, чтобы его диэлектрическая проницаемость стала отрицательной. В условиях фемто- и пикосекундного воздействия это становится возможным при реализации механизмов «холодного» плавления.