Theoretische Untersuchung der Nanostrukturierung dielektrischer Materialien durch kurze Laserpulse.

• Antragsteller: Dr. Dmitry Ivanov
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336533159

Seit kurzem hat sich die Bestrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen als nützliches Werkzeug zur Erzielung kontrollierter laserinduzierter Materieübergänge etabliert und eine Vielzahl von Anwendungen in der Laserverarbeitungstechnik, wie das Erzeugen von dreidimensionalen Strukturen, die Schaffung von Farbzentren und die Entwicklung von Mikrooptiken, gefunden. Mit Hilfe von Femtosekundenlasertechniken wurden wellenleitende Objekte in Quarzglas, eines der üblicherweise in IT- und Bio-Technologien verwendeten optischen Materialien, erzeugt. Die Wechselwirkung von ultrakurzen Laserimpulsen mit Dielektrika involviert jedoch eine Reihe von konkurrierenden Ungleichgewichts Prozessen, die in einer Vielzahl von zeitlichen und räumlichen Skalen aktiviert werden können. Der instationäre Charakter der laserinduzierten Phasenübergänge, bei starker Überhitzung auf Piko- und Subpikosekunden-Zeitskalen und in Gegenwart von starken Druck- und Temperaturgradienten, kann in ultraschnellen Schmelz-, Spallations-, Ablations- und Zerfallsprozessen resultieren. Das Verständnis all dieser Prozesse auf atomarer Ebene und die Fähigkeit sie präzise zu simulieren, um Materialverhalten vorherzusagen und damit neue Nano-Technologie-Anwendungen zu entwickeln, erfordert eine robuste fundamentale Theorie. In diesem Projekt schlagen wir die Entwicklung eines kombinierten Rechenverfahrens zur Untersuchung der Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit dielektrischen Festkörpern vor. Die Wirkung der photoangeregten Dynamik freier Ladungsträger wird im Rahmen eines Kontinuumsansatzes beschrieben werden, während die Kinetik von laserinduzierten Ungleichgewichts-Phasenübergangsprozessen auf atomarer Ebene mit der Molekular-Dynamik-(MD)-Methode adressiert wird. Zu diesem Zweck setzt das Projekt eine enge Zusammenarbeit zwischen den Gruppen von Prof. Rethfeld (TU-Kaiserslautern) und der Gruppe von Prof. Garcia (Universität Kassel) voraus. Die laserinduzierten Prozesse werden, unter Verwendung der Dynamik freier Ladungsträger, gründlich untersucht und in Form von numerischen Blöcken (zwecks Integration in den MD Code) in der Gruppe von Prof. Rethfeld beschrieben werden. Das entsprechende interatomare MD-Potential wird in der Gruppe von Prof. Garcia modifiziert werden, um interatomare Bindungsschwächung und laserinduzierte nicht-thermische Effekte zu berücksichtigen. Das entwickelte Modell wird angewandt werden, um den Mechanismus der durch ultrakurze Laserpulse induzierten Schädigung von Dielektrika am Beispiel von Quarzglas und kristallinem beta-SiO2 zu untersuchen. Dies ist von enormer technischer Bedeutung. Durch Realisierung in MD-Simulationen von großem Maßstab ist zu erwarten, dass unser vorgeschlagener Ansatz die oben genannten Mechanismen erfassen und einen starken Einfluss sowohl auf das grundlegende Verständnis der induzierten nanostrukturierenden Prozesse in dielektrischen Feststoffen als auch ihre möglichen technologischen Anwendungen haben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Martin Ezequiel Garcia; Professorin Dr. Baerbel Rethfeld