Interaction ultra-rapide des lasers pour la fonctionnalisation chimique et topologique des surfaces métalliques

Ultrafast Laser Interaction for Chemical and Topological Functionalization of Metallic Surfaces

• Auteur / Autrice : Priya Dominic
• Direction : Florence Garrelie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Christien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Colombier, Arnaud Weck, Florent Bourquard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadjib Semmar, Anne-Marie Kietzig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Topographie de surfaces

Tungstène

Oxydation

Chimie des surfaces

Nanostructures

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Lasers femtoseconde

Nanostructures

Chimie des surfaces

Oxydation

Vacuum

HSFLs

Tungstène

Instabilités

High Spatial Frequency Laser induced periodic surface structures

Femtosecond lasers

Nanostructures

Surface chemistry

Oxidation

Vacuum

HSFLs

Tungsten

Instabilities

High Spatial Frequency Laser induced periodic surface structures

Résumé

L’irradiation ultra-rapide au laser des matériaux devient un élément clé du développement de nouvelles fonctionnalisations de surface. Cela est réalisé en manipulant la topographie de surface et la chimie de surface. Alors que la topographie de surface a été largement explorée ces dernières années, relativement peu de travaux se sont concentrés sur les altérations chimiques qui l’accompagnent. Cette thèse comble principalement cette lacune en se concentrant sur l’oxydation induite par laser femtoseconde (fs) du tungstène liée à la formation de fréquentes ondulations de haute fréquence (High Spatial Frequency Laser induced periodic surface structures (HSFL)). Cela est réalisé en effectuant des expériences dans diverses conditions gazeuses et de pression (ambiante, air à 10 mbar, azote à 10 mbar, argon à 10 mbar et vide à 10−7 mbar) pour générer des HSFL d’amplitude inférieure à 20 nmet de périodicité inférieure à 100 nm. Les premiers résultats montrent le rôle négligeable de l’oxydation dans la formation des HSFL, mais sont significativement guidés par des phénomènes hydrodynamiques. Cela répond à l’un des principaux débats au sein de la communauté scientifique concernant la nécessité de l’oxydation pour la formation de ces nanostructures HSFLs. Cette étude suggère que l’instabilité Rayleigh-Bénard-Marangoni induite par laser fs explique bien à la formation des HSFL, comme le confirme l’observation de nano-cavits en sous-surface associés à celles-ci. De plus, la thèse se concentre sur les HSFL générées dans des conditions ambiantes et sous vide pour différencier entre les oxydes générés par le laser et les oxydes accumulés au fil du temps en raison de l’exposition à l’ambiante. De manière intéressante, nous observons que les oxydes générés par le laser sont cristallins, tandis que les oxydes accumulés au fil du temps sont amorphes, ce qui est également confirmé par la différence de mouillabilité entre les deux types d’oxydes. Cela ouvre la voie à la possibilité de régler la réponse physico-chimique des surfaces irradiées par laser en fonction des variations de la chimie de surface sur la même topographie de surface (HSFL sur W). De plus, le mécanisme d’oxydation accompagnant l’irradiation laser femtoseconde est étudié en utilisant la littérature, des analyses expérimentales et numériques. Cette approche nous aide à proposer une accumulation d’oxydes par les multiples impulsions laser successives, gouvernée par la diffusion de l’oxygène. Cela constitue une contribution essentielle à la communauté scientifique, car cette étude établit la temporalité de l’oxydation induit par laser, ce qui est un aspect important de l’interaction laser-matière, en plus de proposer un moyen de contrôler l’oxydation qui accompagne l’irradiation laser ultra-rapide.

Ultrafast laser irradiation of materials is becoming an important and scalable process in developing new surface functionalizations. This is achieved by manipulating the surface topography and surface chemistry. While surface topography has been extensively explored in recent years, comparatively little work has focused on the accompanying chemical alterations. This thesis contributes to this gap primarily focusing on femtosecond (fs) laser-induced oxidation of tungsten linked with the formation of high spatial frequency laser-induced periodic surface structures (HSFLs). This is achieved by performing experiments in various gaseous and pressure conditions (ambient, air at 10 mbar, nitrogen at 10 mbar, argon at 10 mbar, and vacuum at 10−7 mbar) to generate HSFLs of sub-20 nm amplitude and sub-100 nm periodicity. The initial results show a negligible role of oxidation in theformation of HSFLs and suggest a hydrodynamics-based phenomenon. This answers one of the main debates in the scientific community regarding the necessity of oxidation for such nanostructure formation. Our study suggests fs laser-induced Rayleigh-Bénard-Marangoni instability as the main mechanism for the formation of HSFLs, confirmed by observations of subsurface voids. The thesis concentrates on HSFLs generated in ambient andvacuum conditions to differentiate between laser-generated oxides and oxides accumulated on HSFLs over time due to ambient exposure. Interestingly, we observe that laser-generated oxides are crystalline, and oxides accumulated over time are amorphous, a result backed by differences in wettability between the two types of oxides. These results demonstrate the potential for tuning the physicochemical response of laser-irradiated surfaces based onsurface chemistry variations. Moreover, the oxidation mechanism accompanying femtosecond laser irradiation is investigated and supported by literature, experiments, and numerical analyses. This approach helped us propose an oxidation mechanism based on a multi-pulse oxide accumulation during laser irradiation governed by the diffusion of oxygen. These results provide an important contribution to the laser-matter interaction community by establishing a time frame for laser-induced oxidation and proposing a way to control oxidation via ultrafast laser irradiation.