Beschreibung
Langfristiges Ziel dieses Teilprojekts ist die umfassende Molekulardynamiksimulation der Laserablation auf atomarer Basis. Begonnen wurde in der ersten Förderperiode mit einfachen Metallen und der Untersuchung von Oberflächeneffekten.
Die Ziele der weiteren Förderperioden sind zum Ersten die Simulation sukzessive komplexerer Materialien, zum Zweiten die Untersuchung von Effekten auch im Inneren der Probe und zum Dritten die Vergrößerung der Proben, insbesondere des lateralen Durchmessers bis hin zu experimentell realisierbaren Dimensionen.
Stand der Forschung
Molekulardynamiksimulationen der Laserablation gibt es seit Mitte der 1990er Jahre. Für große Simulationen (bis zu 100 Mio. Atome) werden häufig nur Lennard-Jones-Modellpotenziale benützt, oftmals sogar ohne ein Zwei-Temperatur-Modell. Meistens sind die Proben sehr viel kleiner, bis hin zu wenigen Tausend Atomen, und häufig auch quasi-zweidimensional, d.h. eine Querdimension ist sehr viel kleiner als die andere. Darüberhinaus wurden 2008 zum ersten Mal Multiskalensimulationen präsentiert, wobei eine zentrale Molekulardynamikprobe in einen FEM-Bereich eingebettet wurde. Praktisch alle Simulationen befassen sich mit einfachen Metallen. Erst dieses Jahr wurde ein Mehrschichtsystem untersucht, das aus zwei Blöcken verschiedener Metalle besteht. Die Simulation von Legierungen, insbesondere mit komplexer Struktur, wurde nur von uns durchgeführt. Für die Materialabtragung mit einem Laserstrahl sind typischerweise viele tausend Pulse nötig, was außerhalb der Molekulardynamik Simulationsmöglichkeiten liegt. Die Effektivität der Abtragung hängt aber auch von der Pulsform und dem Abstand zwischen zwei Pulsen ab. Auch hier wurde 2009 zum ersten Mal eine Simulation mit zwei sukzessiven Gaußpulsen präsentiert.
Des Weiteren hängt der Wirkungsgrad der Abtragung davon ab, ob sich das Material im Vakuum, in Gas oder Flüssigkeit befindet. Ergebnisse wurden bisher nur für ein zweidimensionales Modellsystem veröffentlicht.
Für technologische Anwendungen sind besonders kovalente Materialen wie Si und Ge interessant. Hierfür ist das Zwei Temperatur-Modell verallgemeinert worden. Eine einfache Version wurde auch schon für Molekulardynamiksimulationen eingesetzt, aber detailierte Studien sind unbedingt notwendig. Ionische Materialien wurden nach unserem Kenntnisstand noch nicht simuliert, ebensowenig wie komplexe Polymere auf atomarer Ebene.
Beim Vergleich mit dem Experiment hat sich gezeigt, dass auch für einfache Metalle das Zwei-Temperatur-Modell erweitert werden sollte zur besseren Übereinstimmung mit der Simulation.