Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire

Abstract

L’ablation laser de verres métalliques de CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 et 0.67) et d’un alliage métallique cristallin de CuZr2 dans la structure C11b a été étudiée par dynamique moléculaire (DM) combinée à un modèle à deux températures (TTM). Le seuil d’ablation (Fth) a été déterminé pour chacun des 4 échantillons et s'est avéré plus bas pour les échantillons plus riches en Cu étant donné que la cohésion du Cu est plus faible que celle du Zr dans tous les échantillons. Pour x=0.33, Fth est plus bas pour le cristal que pour l’amorphe car le couplage électron-phonon est plus faible dans ce dernier, ce qui implique que l’énergie est transférée plus lentement du système électronique vers le système ionique pour le a-CuZr2 que le c-CuZr2. La vitesse de l’onde de pression créée par l’impact du laser croît avec la fluence dans l’échantillon cristallin, contrairement aux échantillons amorphes dans lesquels sa vitesse moyenne est relativement constante avec la fluence. Ceci est expliqué par le fait que le module de cisaillement croît avec la pression pour le cristal, ce qui n’est pas le cas pour les verres métalliques étudiés. Finalement, la zone affectée par la chaleur (HAZ) a été étudiée via la profondeur de fusion et les déformations plastiques. La plus faible température de fusion des échantillons amorphes implique que la profondeur de fusion est plus importante dans ceux-ci que dans l’échantillon cristallin. Dans les verres métalliques, les déformations plastiques ont été identifiées sous forme de zones de transformation par cisaillement (STZ) qui diffusent et fusionnent à plus haute fluence. Aucune déformation plastique importante n’a été identifiée dans le c-CuZr2 mis à part de légères déformations près du front de fusion causées par les contraintes résiduelles. Ce travail a ainsi permis d’améliorer notre compréhension de l’ablation laser sur les verres métalliques et de l’étendue des dommages qu’elle peut entraîner.

Laser ablation of CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 and 0.67) metallic glasses along with crystalline CuZr2 in the C11b structure was investigated using a molecular-dynamics scheme combined with a two-temperature model (MD-TTM). The ablation threshold (Fth) was determined for each of the 4 samples leading to the facts that Fth is lower for samples containing a larger amount of Cu atoms since their cohesion is weaker than Zr atoms’ in all the targets. For x=0.33, Fth is lower in the crystal than in the glass because the electron-phonon coupling is weaker in the latter, which implies that the energy is transferred more slowly from the electronic system towards the ionic system for a-CuZr2 than for c-CuZr2 . The velocity of the pressure wave generated by the laser pulse grows with increasing fluence for the crystalline sample as opposed to amorphous samples in which the pressure wave velocity is essentially constant with increasing fluence. This is explained by the fact that the shear modulus grows with increasing pressure in the c-CuZr2 and is constant in the glassy samples. Finally, the heat-affected zone (HAZ) was caracterized by the melting depth and the plastic deformations after the laser pulse. The lower melting temperature for amorphous samples causes the melting depth to be more important in them than in the crystal. In the metallic glasses, plastic deformations were identified as shear transformation zones (STZ) which merge and coalesce at higher fluence. No plastic deformation has been observed in c-CuZr2 other than some light deformations near the melting front, essentially caused by residual strains. In summary, this study allows a better understanding of the laser ablation of metallic glasses and the collateral damages associated with it.