Skip to main content
Log in

Numerical simulation of ultrafast expansion as the driving mechanism for confined laser ablation with ultra-short laser pulses

  • Published:
Applied Physics A Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Recently, a so-called “directly induced” laser ablation effect has been reported, where an ultra-short laser pulse (660 fs and 1053 nm) irradiates a thin Mo film through a glass substrate, resulting in a “lift-off” of the irradiated layer in form of a thin, solid, cylindrical fragment. This effect provides a new and very energy-efficient selective structuring process for the Mo back electrode in thin-film solar cell production. To understand the underlying physical mechanisms, a 3D axisymmetric finite element model was created and numerically solved. The model is verified by a direct comparison of experimental and numerical results. It includes volume absorption of the laser pulse, heat diffusion in the electron gas and the lattice, thermal expansion of the solid phase and further volume expansion from phase transition to fluid and gas, and finally the mechanical motion of the layer caused by the resulting stress wave and the interaction with the substrate. The simulation revealed that irradiation of the molybdenum layer with an ultra-short pulse causes a rapid acceleration in the direction of the surface normal within a time frame of a hundred picoseconds to a peak velocity of about 100 m/s. The molybdenum layer continues to move as an oscillating membrane, and finally forms a dome after about 100 ns. The calculated strain at the edges of the dome exceeds the tensile stress limit at fluences that initiate the “lift-off” in experimental investigations. In addition, the simulation reveals that the driving mechanism of the “lift-off” is the ultrafast expansion of the interface layer and not the generated gas pressure.

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

Access this article

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

Instant access to the full article PDF.

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12
Fig. 13
Fig. 14
Fig. 15
Fig. 16
Fig. 17
Fig. 18

Similar content being viewed by others

References

  1. H.P. Huber, M. Englmaier, C. Hellwig, A. Heiss, T. Kuznicki, M. Kemnitzer, H. Vogt, R. Brenning, J. Palm, Proc. SPIE 7203, 72030R (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. G. Heise, C. Hellwig, T. Kuznicki, S. Sarrach, C. Menhard, A. Heiss, H. Vogt, J. Palm, H.P. Huber, Proc. SPIE 7585, 75850U (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. H. Vogt, A. Heiss, J. Palm, F. Karg, H.P. Huber, G. Heise, in 26th EUPVSEC 3DV.2.9 (2011)

    Google Scholar 

  4. A. Burn, V. Romano, M. Muralt, R. Witte, B. Frei, S. Bücheler, S. Nishiwaki, Proc. SPIE 8243, 824318 (2012)

    Article  Google Scholar 

  5. P. Gecys, G. Raciukaitis, A. Wehrmann, K. Zimmer, A. Braun, S. Ragnow, J. Laser Micro Nanoeng. 7, 33 (2012)

    Article  Google Scholar 

  6. P.O. Westin, U. Zimmermann, M. Ruth, M. Edoff, J. Sol. Energy Eng. 95, 1062 (2011)

    Google Scholar 

  7. G. Eberhardt, H. Banse, U. Wagner, T. Peschel, Proc. SPIE 7585, 75850P (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. P. Gecys, G. Raciukaitis, M. Ehrhardt, K. Zimmer, M. Gedvilas, Appl. Phys. A 101, 373 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. F.J. Pern, L. Mansfield, S. Glynn, B. To, C. DeHart, S. Nikumb, C. Dinkel, M. Rekow, R. Murison, T. Panarello, C. Dunsky, in 35th IEEE Photovolt. Spec. Conf., vol. 5614717 (2010)

    Google Scholar 

  10. M. Rekow, R. Murison, C. Dunsky, C. Dinkel, J. Pern, L. Mansfield, T. Panarello, S. Nikumb, in 25th EUPVSEC 3DO.5.5, (2010)

    Google Scholar 

  11. G. Heise, A. Heiss, C. Hellwig, T. Kuznicki, H. Vogt, J. Palm, H.P. Huber, Prog. Photovolt. Res. Appl. (2012). doi:10.1002/pip.1261

    Google Scholar 

  12. A.D. Compaan, I. Matulionis, S. Nakade, Opt. Lasers Eng. 34, 15 (2000)

    Article  Google Scholar 

  13. D. Bartl, A. Michalowski, M. Hafner, A. Letsch, S. Nolte, A. Tünnermann, Appl. Phys. A 110, 227 (2013)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. W.S. Wong, T. Sands, N.W. Cheung, M. Kneissl, D.P. Bour, P. Mei, L.T. Romano, N.M. Johnson, Appl. Phys. Lett. 77, 2822 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. G. Heise, J. Konrad, S. Sarrach, J. Sotrop, H.P. Huber, Proc. SPIE 7925, 792511 (2011)

    Article  Google Scholar 

  16. G. Heise, M. Domke, J. Konrad, S. Sarrach, J. Sotrop, H.P. Huber, J. Phys. D, Appl. Phys. 45, 315303 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. J. Bohandy, B.F. Kim, F.J. Adrian, A.N. Jette, J. Appl. Phys. 63, 1158 (1988)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. V. Schultze, M. Wagner, Appl. Surf. Sci. 52, 303 (1991)

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. T.V. Kononenko, P. Alloncle, V.I. Konov, M. Sentis, Appl. Phys. A 94, 531 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. V. Menezes, K. Takayama, T. Ohki, J. Gopalan, Appl. Phys. Lett. 87, 1 (2005)

    Article  Google Scholar 

  21. G. Heise, D. Trappendreher, F. Ilchmann, R.S. Weiss, B. Wolf, H.P. Huber, Proc. SPIE 8247, 82470X (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. S. Hermann, N.P. Harder, R. Brendel, D. Herzog, H. Haferkamp, Appl. Phys. A 99, 151 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. P. Engelhart, S. Hermann, T. Neubert, H. Plagwitz, R. Grischke, R. Meyer, U. Klug, A. Schoonderbeek, U. Stute, R. Brendel, Prog. Photovolt. Res. Appl. 15, 521 (2007)

    Article  Google Scholar 

  24. S. Rapp, M. Domke, M. Schmidt, H.P. Huber, LIM 2013. Phys. Proc. 41, 727 (2013)

    Article  Google Scholar 

  25. R. Fabbro, J. Fournier, P. Ballard, D. Devaux, J. Virmont, J. Appl. Phys. 68, 775 (1990)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. F.J. Adrian, J. Bohandy, B.F. Kim, A.N. Jette, P. Thompson, J. Vac. Sci. Technol. B 5, 1490 (1987)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. N.T. Kattamis, M.S. Brown, C.B. Arnold, J. Mater. Res. 26, 2438 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. T.E. Itina, J. Hermann, P. Delaporte, M. Sentis, Thin Solid Films 513, 453–454 (2004)

    Google Scholar 

  29. D. Ivanov, B. Rethfeld, G. O’Connor, T. Glynn, A. Volkov, L. Zhigilei, Appl. Phys. A 92, 791 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. M.V. Shugaev, N.M. Bulgakova, Appl. Phys. A 101, 103 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. I. Zergioti, D.G. Papazoglou, A. Karaiskou, C. Fotakis, E. Gamaly, A. Rode, Appl. Surf. Sci. 177, 208–209 (2003)

    Google Scholar 

  32. M. Domke, S. Rapp, M. Schmidt, H.P. Huber, Appl. Phys. A 109, 409 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. M. Domke, S. Rapp, M. Schmidt, H. Huber, Opt. Express 20, 10330 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. M. Domke, S. Rapp, H. Huber, Phys. Proc. 39, 717 (2012)

    Article  Google Scholar 

  35. M. Domke, S. Rapp, G. Heise, H.P. Huber, Proc. SPIE 8243 (2012)

  36. A.P. Alloncle, R. Bouffaron, J. Hermann, M. Sentis, Proc. SPIE 6261, 626127 (2006)

    Article  Google Scholar 

  37. S. Beyer, V. Tornari, D. Gornicki, Proc. Inst. Mech. Eng. B 5063, 202 (2003)

    Google Scholar 

  38. Q. Bian, X. Yu, B. Zhao, Z. Chang, S. Lei ICALEO 2011, 869 (2011)

    Google Scholar 

  39. S. Preuss, A. Demchuk, M. Stuke, Appl. Phys. A 61, 33 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. S. Preuss, E. Matthias, M. Stuke, Appl. Phys. A 59, 79 (1994)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. G. Heise, M. Englmaier, C. Hellwig, T. Kuznicki, S. Sarrach, H. Huber, Appl. Phys. A 102, 173 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. R.S. Hixson, M.A. Winkler, Int. J. Thermophys. 13, 477 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. Comsol Multiphysics http://www.comsol.com/

  44. S.I. Anisimov, B.L. Kapeliovich, T.L. Perelman, Sov. Phys. JETP 39, 375 (1974)

    ADS  Google Scholar 

  45. J.K. Chen, D.Y. Tzou, J.E. Beraun, Int. J. Heat Mass Transf. 49, 307 (2006)

    Article  MATH  Google Scholar 

  46. J. Hohlfeld, S.S. Wellershoff, J. Güdde, U. Conrad, V. Jähnke, E. Matthias, Chem. Phys. 251, 237 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. S.S. Wellershoff, J. Hohlfeld, J. Güdde, E. Matthias Appl. Phys. A 69 (1999)

  48. J. Huang, Y. Zhang, J.K. Chen, Appl. Phys. A 103, 113 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. M.M. Kirrillova, L.V. Nomerovannaya, M.M. Noskov, Sov. Phys. JETP 33, 1210 (1971)

    ADS  Google Scholar 

  50. D.R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th ed. (CRC Press, Boca Raton, 2004)

    Google Scholar 

  51. L.D. Landau, E.M. Lifschitz, Course of Theoretical Physics—Theory of Elasticity (Butterworth, Stoneham, 1991)

    Google Scholar 

  52. COMSOL multiphysics user’s Guide V 4.1 2010, 501 ff

  53. R. Farraro, B.R. Mclellan, Metall. Trans. A 8, 1563 (1977)

    Article  Google Scholar 

  54. C.W. Siders, A. Cavalleri, K. Sokolowski-Tinten, C. Toth, T. Guo, M. Kammler, M. Horn Von Hoegen, K.R. Wilson, D. Von Der Linde, C.P.J. Barty, Science 286, 1340 (1999)

    Article  Google Scholar 

  55. A. Barty, S. Boutet, M.J. Bogan, S. Hau-Riege, S. Marchesini, K. Sokolowski-Tinten, N. Stojanovic, R. Tobey, H. Ehrke, A. Cavalleri, S. Duesterer, M. Frank, S. Bajt, B.W. Woods, M.M. Seibert, J. Hajdu, R. Treusch, H.N. Chapman, Nat. Photonics 2, 415 (2008)

    Article  Google Scholar 

  56. M. Domke, J. Sotrop, S. Rapp, M. Börger, D. Felsl, H.P. Huber, Proc. SPIE 8611, 861146 (2013)

    Google Scholar 

  57. A. Mermillod-Blondin, A. Rosenfeld, R. Stoian, E. Audouard, Proc. SPIE 8247, 82470Q (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. E.G. Gamaly, Phys. Rep. 508, 91 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. B. Rethfeld, K. Sokolowski-Tinten, D. Von Der Linde, S.I. Anisimov, Appl. Phys. A 79, 767 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. J.M. Liu, Opt. Lett. 7, 196 (1982)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

This work was partly funded by the Seventh Framework Programme of the European Commission within the project ‘Solardesign’, under Grant No. 310220 and by the German Research Foundation within the Project ‘Modelling in Nanostructure Technology’, under the DFG-Number INST 99/10-1.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Jürgen Sotrop.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Sotrop, J., Kersch, A., Domke, M. et al. Numerical simulation of ultrafast expansion as the driving mechanism for confined laser ablation with ultra-short laser pulses. Appl. Phys. A 113, 397–411 (2013). https://doi.org/10.1007/s00339-013-7849-2

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-013-7849-2

Keywords

Navigation