Skip to main content
SpringerLink
Log in

Modeling of material properties after ultrashort laser and XUV excitation

  • Published:
Applied Physics A Aims and scope Submit manuscript

Abstract

By means of first principles calculations, we studied the possibility of manipulating structural properties of different materials via excitation with intense femtosecond laser or extreme ultraviolet (XUV) pulses. For silicon and boron-nitride nanotubes, we performed ab initio molecular dynamics simulations using the code CHIVES, developed in our group, to describe their laser-induced structural dynamics. For both materials, we determined the damage thresholds. We also investigated the structural response of magnesium and copper to ultrashort XUV excitation. For this purpose, we performed frozen-phonon calculations based on all-electron density functional theory and allowed the possibility of core-hole excitation. We found that Cu undergoes bond hardening and Mg bond softening upon creation of core holes and hot electrons, where we defined the bond strength by the vibrational frequencies.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10

Similar content being viewed by others

References

  1. H.J. Zeiger, J. Vidal, T.K. Cheng, E.P. Ippen, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 45, 768 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. R. Merlin, Solid State Commun. 1997(2–3), 207 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. H.O. Jeschke, M.E. Garcia, K.H. Bennemann, Phys. Rev. B 60, R3701 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. H.O. Jeschke, M.E. Garcia, K.H. Bennemann, J. Appl. Phys. 91, 18 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. A. Cavalleri, Cs. Toth, C.W. Siders, J.A. Squier, F. Raksi, P. Forget, J.C. Kieffer, Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. R. Kitagawa, H. Takebe, K. Morinaga, Appl. Phys. Lett. 82, 3641 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. E.S. Zijlstra, N. Huntemann, M.E. Garcia, New J. Phys. 10, 033010 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. M.S. Diakhate, M.E. Garcia, Phys. Rev. B 79, 094117 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. P.L. Silvestrelli, A. Alavi, M. Parrinello, D. Frenkel, Phys. Rev. Lett. 77, 3149 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. H.O. Jeschke, M.E. Garcia, M. Lenzner, J. Bonse, J. Krüger, W. Kautek, Appl. Surf. Sci. 197, 839 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. A. Rousse, C. Rischel, S. Fourmaux, I. Uschmann, S. Sebban, G. Grillon, P. Balcou, E. Förster, J.P. Geindre, P. Audebert, J.C. Gauthier, D. Hulin, Nature 410, 65 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. A.M. Lindenberg, J. Larsson, K. Sokolowski-Tinten, K.J. Gaffney, C. Blome, O. Synnergren, J. Sheppard, C. Caleman, A.G. MacPhee, D. Weinstein, D.P. Lowney, T.K. Allison, T. Matthews, R.W. Falcone, A.L. Cavalieri, D.M. Fritz, S.H. Lee, P.H. Bucksbaum, D.A. Reis, J. Rudati, P.H. Fuoss, C.C. Kao, D.P. Siddons, R. Pahl, J. Als-Nielsen, S. Duesterer, R. Ischebeck, H. Schlarb, H. Schulte-Schrepping, Th. Tschentscher, J. Schneider, D. von der Linde, O. Hignette, F. Sette, H.N. Chapman, R.W. Lee, T.N. Hansen, S. Techert, J.S. Wark, M. Bergh, G. Huldt, D. van der Spoel, N. Timneanu, J. Hajdu, R.A. Akre, E. Bong, P. Krejcik, J. Arthur, S. Brennan, K. Luening, J.B. Hastings, Science 308, 392 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. E.S. Zijlstra, J. Walkenhorst, M.E. Garcia, Phys. Rev. Lett. 101, 135701 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. G. Sciaini, M. Harb, S.G. Kruglik, T. Payer, C.T. Hebeisen, F.-J.M. zu Heringdorf, M. Yamaguchi, M.H. von Hoegen, R. Ernstorfer, R.J.D. Miller, Nature 458, 56 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. M. Harb, R. Ernstorfer, C.T. Hebeisen, G. Sciaini, W. Peng, T. Dartigalongue, M.A. Eriksson, M.G. Lagally, S.G. Kruglik, R.J.D. Miller, Phys. Rev. Lett. 100, 155504 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. T. Dumitricǎ, R.E. Allen, Phys. Rev. B 66, 081202(R) (2002)

    ADS  Google Scholar 

  17. J.P. Callan, A.M.-T. Kim, L. Huang, E. Mazur, Chem. Phys. 251, 167 (2002)

    Article  Google Scholar 

  18. T. Dumitrica, M.E. Garcia, K.H.O. Jeschke, B.I. Yakobson, Phys. Rev. Lett. 92, 117401 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. A.H. Romero, M.E. Garcia, F. Valencia, M. Terrones, H. Terrones, H.O. Jeschke, Nano Lett. 5, 1361 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. K. Zickfeld, M.E. Garcia, K.H. Bennemann, Phys. Rev. B 59, 13422 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. H.O. Jeschke, M.E. Garcia, J.A. Alonso, Chem. Phys. Lett. 352, 154 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. P. Stampfli, K.H. Bennemann, Phys. Rev. B 42, 7163 (1990)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. V. Recoules, J. Clérouin, G. Zérah, P.M. Anglade, S. Mazevet, Phys. Rev. Lett. 96, 055503 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. E.S. Zijlstra, L.L. Tatarinova, M.E. Garcia, Phys. Rev. B 74, 220301(R) (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. P.L. Silvestrelli, A. Alavi, M. Parrinello, D. Frenkel, Phys. Rev. Lett. 77, 3149 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. V.H. Crespi, N.G. Chopra, M.L. Cohen, A. Zettl, V. Radmilovic, Appl. Phys. Lett. 73, 2435 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. A.H. Romero, H.O. Jeschke, A. Rubio, M.E. Garcia, Appl. Phys. A 79, 899 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. H.O. Jeschke, A.H. Romero, M.E. Garcia, A. Rubio, Phys. Rev. B 75, 125412 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. R. Ernstorfer, M. Harb, C.T. Hebeisen, G. Sciaini, T. Dartigalongue, R.J.D. Miller, Science 323, 1033 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. R.W. Lee, H.A. Baldis, R.C. Cauble, O.L. Landen, J.S. Wark, A. Ng, S.J. Rose, C. Lewis, D. Riley, J.-C. Gauthier, P. Audebert, Laser Part. Beams 20, 527 (2002)

    ADS  Google Scholar 

  31. H.J. Lee, P. Neumayer, J. Castor, T. Doppner, R.W. Falcone, C. Fortmann, B.A. Hammel, A.L. Kritcher, O.L. Landen, R.W. Lee, D.D. Meyerhofer, D.H. Munro, R. Redmer, S.P. Regan, S. Weber, S.H. Glenzer, Phys. Rev. Lett. 102, 115001 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. B.I. Cho, K. Engelhorn, A.A. Correa, T. Ogitsu, C.P. Weber, H.J. Lee, J. Feng, P.A. Ni, Y. Ping, A.J. Nelson, D. Prendergast, R.W. Lee, R.W. Falcone, P.A. Heimann, Phys. Rev. Lett. 106, 167601 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. W.H. Knox, D.S. Chemla, G. Livescu, J.E. Cunningham, J.E. Henry, Phys. Rev. Lett. 61, 1290 (1988)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. S.L. Johnson, P. Beaud, C.J. Milne, F.S. Krasniqi, E.S. Zijlstra, M.E. Garcia, M. Kaiser, D. Grolimund, R. Abela, G. Ingold, Phys. Rev. Lett. 100, 155501 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. J.A. van Vechten, R. Tsu, F.W. Tsaris, Phys. Lett. A 74, 422 (1979)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. N.D. Mermin, Phys. Rev. 137, A1441 (1965)

    Article  MathSciNet  ADS  Google Scholar 

  37. E.S. Zijlstra, N. Huntemann, A. Kalitsov, M.E. Garcia, U. von Barth, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 17, 015009 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. S. Goedecker, M. Teter, J. Hutter, Phys. Rev. B 54, 1703 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. P. Blaha, K. Schwarz, G.K.H. Madsen, D. Kvasnicka, J. Luitz, WIEN2k, an Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties (Karlheinz Schwarz, Techn. Universität, Wien, Austria, 2001)

  40. C.V. Shank, R. Yen, C. Hirlimann, Phys. Rev. Lett. 50, 454 (1983)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. L. Shokeen, K. Schelling, J. Appl. Phys. 109, 073503 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. J. Jellinek, T.L. Beck, R.S. Berry, J. Chem. Phys. 84, 2783 (1986)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

We thank support by DAAD and by the German Federal Ministry for Education (BMBF) (project FSP 301-FLASH).

Author information

Authors and Affiliations

  1. Theoretical Physics, University of Kassel, Heinrich-Plett-Str. 40, 34132, Kassel, Germany

    Eeuwe S. Zijlstra, Fairoja Cheenicode Kabeer, Bernd Bauerhenne, Tobias Zier, Naira Grigoryan & Martin E. Garcia

  2. Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT), Heinrich-Plett-Str. 40, 34132, Kassel, Germany

    Eeuwe S. Zijlstra, Fairoja Cheenicode Kabeer, Bernd Bauerhenne, Tobias Zier, Naira Grigoryan & Martin E. Garcia

Authors
  1. Eeuwe S. Zijlstra
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Fairoja Cheenicode Kabeer
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Bernd Bauerhenne
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. Tobias Zier
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  5. Naira Grigoryan
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  6. Martin E. Garcia
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Martin E. Garcia.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Zijlstra, E.S., Cheenicode Kabeer, F., Bauerhenne, B. et al. Modeling of material properties after ultrashort laser and XUV excitation. Appl. Phys. A 110, 519–528 (2013). https://doi.org/10.1007/s00339-012-7183-0

Download citation

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-012-7183-0

Keywords

Search

Navigation