Numerical study of laser micro- and nano-processing of nanocomposite porous materials

Cette thèse porte sur les simulations numériques de l’interaction laser avec des matériaux poreux. Une possibilité de traitement bien contrôlé est particulièrement importante pour la microstructuration laser du verre poreux et le nano-usinage de matériaux poreux semiconducteurs en présence de nanoparticules métalliques. La modélisation auto-cohérente se concentre donc sur une étude détaillée des processus impliqués. En particulier, pour comprendre les structures des micro-vides périodiques produits à l’intérieur du verre poreux par des impulsions laser femtoseconde, une analyse thermodynamique numérique détaillée a été réalisée. Les résultats des calculs montrent la possibilité de contrôler le micro-usinage laser en volume de SiO2 . De plus, les dimensions des structures densifiées par laser sont examinées pour différentes conditions de focalisation à de faibles énergies d’impulsion. Les dimensions caractéristiques obtenues à partir des structures sont corrélées avec les résultats expérimentaux. Comparés au verre poreux, les films mésoporeux TiO2 chargés d’ions Ag et de nanoparticules supportent des ré- sonances plasmoniques localisées. Les films nanocomposites obtenus sont capables de transférer des électrons libres et d’absorber l’énergie laser de manière résonnante, offrant des possibilités supplémentaires pour contrôler la taille des nanoparticules d’Ag. Pour identifier les paramètres optimaux du laser à onde continue, un modèle multi-physique prenant en compte la croissance des nanoparticules d’Ag, photo-oxydation, réduction a été développé. Les simulations réalisées montrent que la vitesse d’écriture laser contrôle la taille des nanoparticules d’Ag. Les calculs ont également représenté une nouvelle vision selon laquelle les nanoparticules d’Ag se développent devant le centre du faisceau laser du fait de la diffusion de chaleur. Il a été démontré que la croissance rapide activée thermiquement suivie d’une photo-oxydation est la principale raison du changement de taille et de température en fonction de la vitesse d’écriture. Un modèle tridimensionnel a été développé et reproduit les lignes écrites au laser. L’écriture de films mésoporeux TiO2 chargés de nanoparticules d’Ag par un laser pulsé promet également d’offrir des possibilités supplémentaires dans la génération de deux types de nanostructures: les rainures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) et les nanogratings Ag à l’intérieur du film TiO2 . Pour mieux comprendre les effets d’un laser pulsé, deux modèles multiimpulsions - un semi-analytique et un autre basé sur une méthode par éléments finis (FEM) - sont développés pour simuler la croissance des nanoparticules d’Ag. Le modèle FEM s’avère précis car il traite mieux la diffusion de la chaleur à l’intérieur des films minces TiO2 . Le modèle pourrait être étendu à l’avenir pour comprendre la formation de nanogratings LIPSS et Ag dans de tels milieux en les couplant avec les migrations de nanoparticules, la fusion de surface et l’hydrodynamique.Les résultats obtenus ont ouvert de nouvelles perspectives sur le microtraitement laser des matériaux poreux et un meilleur contrôle laser sur la nanostructuration dans les films semiconducteurs poreux chargés de nanoparticules métalliques.This thesis is focused on numerical simulations of the laser interaction with porous materials. A possibility of well-controlled processing is particularly important for the laser based micro-structuring of porous glass and nano-machining of semiconducting porous materials in the presence of metallic nanoparticles. The self-consistent modeling is, therefore, focused on a detailed investigation of the involved processes. Particularly, to understand the periodic micro-void structures produced inside porous glass by femtosecond laser pulses, a detailed numerical thermodynamic analysis was performed. The calculation results show the possibility to control laser micro-machining in volume of SiO2 . Furthermore, the dimensions of laser-densified structures are examined for different focusing conditions at low pulse energies. The obtained characteristic dimensions of the structures correlate with the experimental results. Comparing to the porous glass, the mesoporous TiO2 films loaded by Ag ions and nanoparticles support localized plasmon resonances. The resulted nanocomposite films are capable to transfer free electrons and to resonantly absorb laser energy providing additional possibilities in controlling Ag nanoparticle size.To identify the optimum parameters of the continuous-wave laser, a multi-physical model considering Ag nanoparticle growth, photo-oxidation, reduction was developed. The performed simulations show that the laser writing speed controls the Ag nanoparticles size. The calculations also depicted a novel view that Ag nanoparticles grow ahead of the laser beam center due to the heat diffusion. The thermally activated fast growth followed by the photo-oxidation was found to be the main reason for the writing speed dependent sizechange and temperature rises. A three-dimensional model was developed and reproduced the laser written lines.Writing of mesoporous TiO2 films loaded with Ag nanoparticles by a pulsed laser is, furthermore, promising to provide additional possibilities in the generation of two kinds of nanostructures: laser induced periodic surface grooves (LIPSS) and Ag nanogratingsinside the TiO2 film. To better understand the effects of a pulsed laser, two multi-pulses models - one semi-analytic and another one based on a finite element method (FEM) are developed to simulate the Ag nanoparticle growth. The FEM model is shown to be precise because it better treats heat diffusion inside the TiO2 thin films. The model could be extended in future to understand the formation of LIPSS and Ag nanogratings in such media by coupling with nanoparticle migrations, surface melting and hydrodynamics. The obtained results provided new insights into laser micro-processing of porous material and better laser controlling over nanostructuring in porous semiconducting films loaded with metallic nanoparticles