ΑΡΦΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ ΕΝΙΣΦΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑΔΩΝ ΤΟΥ ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ Νανοακουστικά κύματα με τη χρήση υπερβραχέων παλμών LASER και οι εφαρμογές τους στο χαρακτηρισμό υλικών τα κύρια επιστημονικά αποτελέσματα του υποέργου 19 Ν. Α. Παπαδογιάννης 1,2*, Γ. Ορφανός 1,3, Ε. Κασελούρης 1,4, Ι. Τζιανάκη 1,5, Γ. Τσιμπίδης 6, Π. Α. Λουκάκος 6, Ν. Βάινος 3, Κ. Κοσμίδης 5, Β. Δημητρίου 1,7, Ε. Μπακαρέζος 1,2, Μ. Ταταράκης 1,8 1 ΣΕΙ Κρήτης, χολή Εφαρμοσμένων Επιστημών, Κέντρο Υυσικής Πλάσματος & Laser 2 ΣΕΙ Κρήτης, Σμήμα Μηχανικών Μουσικής Σεχνολογίας και Ακουστικής, Ρέθυμνο 3 Πανεπιστήμιο Πατρών, Σμήμα Επιστήμης Τλικών, Πάτρα 4 Πολυτεχνείο Κρήτης, χολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Φανιά 5 Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Σμήμα Υυσικής, Ιωάννινα 6 ΙΗΔΛ ΙΣΕ, Ηράκλειο 7 ΣΕΙ Κρήτης, Σμήμα Μηχανικών Υυσικών Πόρων και Περιβάλλοντος, Φανιά 8 ΣΕΙ Κρήτης, Σμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Φανιά e-mail: npapadogiannis@staff.teicrete.gr
Ακουστικά Κύματα και οι περιοχές τους Ακουστοί Ήχοι Φωνή - Μεγάφωνα Υπέρηχοι Πιεζοηλεκτικά Στοιχεία Συχνότητες: 20 Hz-20000 Hz Μήκη Κύματος: 10 m - 20 mm (αέρας) 50 m 5 cm (υγρά) 100 m 10 cm (στερεά) Συχνότητες: 20000 Hz 5 MHz Μήκη Κύματος: 50 mm - 1 mm (Βιολογικοί ιστοί) 100 mm- 2 mm (Στερεά σώματα) Ερώτημα: Μπορούμε να αυξήσουμε την συχνότητα του ήχου και να μειώσουμε το μήκος κύματός του (αυξάνοντας την διακριτική του ικανότητα);
Νανο-ακουστική: Kύματα που παράγονται κατά την αλληλεπίδραση υπερβραχέων παλμών laser με την ύλη UltraShort Laser Pulse ΕπιφανειακάΤύπου Rayleigh Εγκάρσια και Διαμήκη Κύματα Material
Φάσεις διέγερσης συστημάτων μεταλλικών φιλμυποστρώματος με femtosecond παλμούς laser Ηλεκτρονιακή δυναμική Δυναμική πλέγματος J. Hohlfeld et al., Chem. Phys. 251, 237 (2000) 1. Παραμόρφωση επαγόμενη από laser 2. Διάδοση της παραμόρφωσης 3. Ανάκλαση της παραμόρφωσης από διεπιφάνεια 4. Ανίχνευση της παραμόρφωσης στην επιφάνεια (echo)
Πειραματική διάταξη γένεσης και ανίχνευσης διαμηκών νανο-ακουστικών κυμάτων (κάθετα στην επιφάνεια) με χρήση femtosecond παλμών laser
ΔR/R (arb. un.) Τυπικά πειραματικά αποτελέσματα: αρχικές φάσεις διέγερσης Αλλαγή της ανακλαστικότητας της επιφάνειας σαν συνάρτηση του χρόνου, για διαφορετικά μεταλλικά φιλμ πάνω σε υπόστρωμα Si (100). Ag (24nm) Electron-phonon coupling factor, G: G Ag = 0.2 10 17 Wm -3 K -1 G Ti = 38.0 10 17 Wm -3 K -1 Το Τιτάνιο είναι μέταλλο που έχει: Ti (25nm) 0 2 4 Time delay (ps) 1. Υπερταχεία απόδοση της ενέργειας των ηλεκτρονίων σε μηχανική ενέργεια του πλέγματος 2. Υψηλη απόδοση της παραπάνω μετατροπής Ιδανικός υπερταχής μετατροπέας φωτός σε μηχανικά κύματα
Reflectivity Change (arb. units) Ανίχνευση echo εγκάρσιων κάθετων στην επιφάνεια νανο-ακουστικών κυμάτων: εφαρμογή στη μέτρηση πάχους υπέρλεπτων φιλμ 1st acoustic echo 0 10 20 30 40 50 60 70 pump - probe delay (ps) Ti (180nm) Ταχύτητα διαμηκών κυμάτων στο Τιτάνιο: ~ 6100m/s Εμφάνιση echo σε χρόνο ~ 57ps αντιστοιχεί σε πάχος ~174nm ±5nm Τιμή κατασκευαστή 180nm ±10nm Ιδανική μέθοδος οπτικού χαρακτηρισμού πάχους υπέρλεπτων φιλμ Χρονική διάρκεια νανο-ακουστικού παλμού echo ~ 5ps (FWHM): Δυνατότητες δυναμικού χαρακτηρισμού με υπερυψηλή χρονική διακριτική ικανότητα
Διέγερση και ανίχνευση σύμφωνων νανο-ταλαντώσεων πλέγματος (φωνόνια): κύματα Brillouin Κύματα Brillouin: σκέδαση υωτονίου-υωνονίου Br 2nu λ o : κεντρικό μήκος κύματος laser, n: πραγματικό μέρος δείκτη διάθλασης u: ταχύτητα διαμηκών ηχητικών κυμάτων Για Si: τ Br = 12.6ps (απόλυτη συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα) Συχνότητα ~ 80GHz Μήκος κύματος ~76nm! Ε. Tzianaki, M. Bakarezos, G.D. Tsibidis, Y. Orphanos, P.A. Loukakos, C. Kosmidis, P. Patsalas, M. Tatarakis and N.A. Papadogiannis, High acoustic strains in Si through ultrafast laser excitation of Ti thin-film transducers, Optics Express 23, 17191 (2015)
Θεωρητικό Μοντέλο για fs παλμούς A revised version of the extended Two-Temperature Model is used to account for the early and transient interaction of the non-thermal electron distribution with the electron and lattice baths (2) (2) Te (2) (2) (2) (2) (2) U Ce ke Te -G Te -TL t t T U C G T T T (2) 3 (2) L (2) (2) (2) el (2) (2) (2) (2) (2) L e - L (3 2 ) L jj t t j 1 T C k T T (3) 3 (3) L (3) (3) (3) (3) (3) (3) (3) L L L - (3 2 ) L jj t j 1 Spatio-temporal distribution of thermally induced lattice displacement v: v v t z The strain and stress along the z-axis are given by the expressions: 2 (i) 2 (i) (i) (i) (i) (i) (i) (2) ( 2 ) (3 2 ) 2 2 ee (i) T L (i) (i) v (i) (i) (i) (i) (i) (i) (2) (i), z ( 2 ) (3 2 ) TL T z t e and L are associated with electrons and lattice, respectively, k e is the thermal conductivity of the electrons, C e and C L are the heat capacity of electrons and lattice, respectively, G is the electronphonon coupling factor while superscripts i correspond to the Ag/Ti (i = 2) and Si materials (i = 3), respectively, and T 0 = 300 K. ε jj correspond to components of thermally induced strains while λ, μ, and α' are the Lamé constant, shear modulus and thermal expansion coefficients of the materials. 0
Αποτελέσματα Θεωρητικού Μοντέλου Electron and Lattice Temperatures on surface Ti Ag Calculated strain pulse distribution in 25 nm metal/si systems as a function of depth, at different time instants. Solid blue and dot-dashed red lines correspond to Ti/Si and Ag/Si cases, respectively. Vertical dashed line corresponds to the metal/si interface position. Spatio-temporal evolution of Lattice Temperature Ti Ag The model predicts: The fast electron relaxation in Ti compare to Ag (~10 times faster) The higher lattice temperature of Ti compare to Ag (~1.5 higher) The higher strain generation in Si when Ti transducer is used compare to Ag (~4 times higher). For 25 nm thick Ti films the amplitude of the acoustic strain has peak values ~0.01, corresponding to a compressional stress of ~1.7 GPa!
Μελέτη επιφανειακών νανο-ακουστικά κύματων κατά την αλληλεπίδραση υπερβραχέων παλμών laser με την ύλη Πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα SAWs για τον χαρακτηρισμό υλικών Μη-καταστρεπτικός χαρακτηρισμός σύνθετων υλικών με λεπτά υμένια Η διάδοση των επιφανειακών κυμάτων (SAWs) εξαρτάται από τις ιδιότητες του φιλμ και από το υλικό του υποστρώματος. Τα χαρακτηριστικά των επαγόμενων νανοακουστικών κυμάτων εξαρτώνται από: Τις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών Την θερμική διάχυση, το οπτικό βάθος διείσδυσης, την σύνθεση και την δομή του υλικού Τις παραμέτρους των παλμών διέγερσης όπως π.χ. την ισχύ, την επιφάνεια εστίασης και την παλμική διάρκεια. Συμπέρασμα: Τα SAWs είναι ένα αποδοτικό εργαλείο για την μελέτη νανο-μηχανικών ελαστικών ιδιοτήτων σύνθετων υλικών με λεπτά υμένια
Η μέθοδος που ακολουθήσαμε Ανάπτυξη μιας νέας ολοκληρωμένης μέθοδου που βασίζεται σε δύο συνδυαστικές τεχνικές: Καινοτόμος συμβολομετρία με laser Νέο μοντέλο βασισμένο στα FEA Για την μελέτη των επιφανειακών νανοακουστικών κυμάτων σε μεταλλικά υμένια πάνω σε υποστρώματα Study of the matter properties exposed to laser sources Determination of values for key physical quantities Extraction of detailed information of temperature gradients, transformations, stresses, etc. for various time steps via the validated FEM model Σύστημα δυναμικής απεικονιστικής συμβολομετρίας με εξαιρετικές δυνατότητες: ns single-longitudinal mode laser pulses, direct, real-time whole-field imaging Significant advantage over techniques where scanning of the surface is required. 3D-Μοντέλο Βασισμένο σε Finite Element Αnalysis versatile and flexible substantial insights into key physical quantities of the laser-matter interaction clear view of SAWs generation and propagation. Counts for the phase changes in a single model
Νέα πειραματική διάταξη με εκπληκτικές δυνατότητες Probe with a Single longitudinal mode laser with external seeder Interferograms is recorded at various optical delays (from 10fs- 10ns) in the presence of the induced SAWs. Interferograms are recorded both before and after the pump pulses, to monitor for any permanent damage to the sample surface. Capabilities of longitudinal resolution of 1-2 nm! and x-y surface resolution of 2-3 μm M-Mirrors, BS-Beam-Splitters, L-Lenses, S-Sample, CCD-Camera. Y. Orphanos, V. Dimitriou, E. Kaselouris, M. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis and N.A. Papadogiannis, An integrated method for material properties characterization based on pulsed laser generated surface acoustic waves, Microelectronic Engineering 112, 249 (2013)
Μαθηματικός φορμαλισμός αλληλεπίδρασης για ns laser Thermal conduction equation: T t 2 Q T0 u ( ) T ( ) c c c t T is the transient temperature function, T 0 the reference temperature. κ, ρ and c constants are respectively thermal conductivity, density and specific heat of the sample ε is the thermal acoustic coupling constant. Q represents the heat source, which is specified as the absorbed energy per volume unit per second. Wave propagation equation: u is the u is the displacement vector of thermal induced elastic waves λ, μ are the Lamé constants Laser heat source Q: 2 u 2 u ( u) ( u) T 2 t Q( r, z, t) I (1 R) F( t) S( r) ae az I 0 is the incident laser power density (laser pulse energy per unit area per second), R is the optical reflectivity of the sample α is the optical absorption coefficient (1 /α is the optical penetration depth). Laser temporal and spatial distribution described by the functions F(t) and S(r), respectively t 0 is the FWHM laser pulse duration and r 0 is the beam radius on the sample surface 0 F() t S() r 2.77( t ) t 0 e ( r ) r 0 e 2 2
Μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων The classical thermal conduction equation for finite elements with the heat capacity matrix [C] and the conductivity matrix [K] can be expressed in terms of vectors based on the finite element method:. KT CT {} Q where {Q} is the heat source vector, {T} is the temperature vector and {Ṫ} is the temperature rate vector. For wave propagation, ignoring damping, the governing finite element equation is: M { U} S { U} F where [M] is the mass matrix, [S] the stiffness matrix, {U} the displacement vector, {Ü} the acceleration vector and {F} the force vector. For thermoelasticity, the external force vector for an element is:.. V T 0 F B D dv {ε 0 } the thermal strain vector, [B] T the transpose of the derivative of the shape functions and [D] the material matrix.
Βελτιστοποίηση Μοντέλου για να Ισχύει και για Μη-ελαστικές περιοχές Εισαγωγή όρου λανθάνουσας θερμότητας, L i, για την αλλαγή φάσης T ( x, y, z, t) ( T) C ( T) [ k( T ) T x, y, z, t)] Q( x, y, z, t) Li t When target temperature is less than its melting temperature limit, incident laser energy onto the surface is conducted into the target. For this case L i equals to zero When the temperature exceeds the melting point, phase change occurs and the latent heat of melting, L m, of the material is activated (i=m), while in the ablation regime the latent heat of melting is replaced by the latent heat of vaporization, L v, (i=v) Εισαγωγή όρου οπτικής πυκνότητας, Λ(t), πλάσματος στην ένταση του Laser I t I e t a h t b E t s () t ( ) 0, ( ) ( ) a( ) Λ(t) is the optical thickness of the ablation plume, with h being the ablation depth, and a and b time independent coefficients
Αποτελέσματα Ι: Άριστη συμφωνία πειράματος θεωρητικού μοντέλου! V. Dimitriou, E. Kaselouris, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis and N.A. Papadogiannis, Three dimensional transient behaviour of thin films surface under pulsed laser excitation, Applied Physics Letters 103, 114104 (2013)
Μόνιμες Παραμορφώσεις Τομογραφία Λευκού φωτός για τον χαρακτηρισμό των μόνιμων παραμορφώσεων(ablation crater) Σύγκριση μοντέλου FEM με τα πειραματικά δεδομένα Ablation depth as a function of the pump laser fluence, theory: solid red dots, experiment: solid squares. Crater radius as a function of the pump laser fluence, theory: open red circles, experiment: open squares
Διεθνής Αναγνώριση προηγούμενης εργασίας Το καναδικό περιοδικό Advances in Engineering που δημοσιεύει επιστημονικά νέα τεχνολογίας με διεθνή απήχηση επέλεξε ως κορυφαία διεθνώς στον τομέα της εφαρμοσμένης φυσικής για το μήνα Απρίλιο 2014 την τελευταία δουλειά μας που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett. 103, 114104 (2013)). Ηλεκτρονική Δημοσίευση Περιοδικού: https://advanceseng.com/appliedphysics/three-dimensional-transient-behavior-thin-films-surface-pulsed-laserexcitation/
Αποτελέσματα ΙΙ: Περιοχή ablation - Άριστη συμφωνία πειράματος θεωρητικού μοντέλου! Vasilis Dimitriou, Evaggelos Kaselouris, Yannis Orphanos, Makis Bakarezos, Nikolaos Vainos, Ioannis K. Nikolos, Michael Tatarakis and Nektarios A. Papadogiannis, The thermo-mechanical behavior of thin metal films under nanosecond laser pulse excitation above the thermoelastic regime, Applied Physics A 118, 739 (2015)
Αδημοσίευτα Πειραματικά Αποτελέσματα Διαφορετικό βάθος διείσδυσης επιφανειακών κυμάτων ανάλογα με τον παλμό του laser διέγερσης (α) (β) Πειραματικά αποτελέσματα διάδοσης υπερήχων σε επιφάνεια Au: (α) από παλμό laser 6ns (delay 44ns), και (β) από παλμό laser 35fs (delay 115ns).
Συμπεράσματα Παράχθηκαν και μελετήθηκαν μηχανικά νανο-ακουστικά κύματα παραγόμενα από υπερβραχείς παλμούς laser με μήκος κύματος ~μm μέχρι και ~nm!! Αναπτύχθηκε συνδιαστική μέθοδος που βασίζεται σε καινοτόμο πειραματική τεχνική και σε νέο μοντέλο που έριξε φως στις φυσικές διεργασίες της αλληλεπίδρασης Αποδείχθηκε ότι τα κύματα αυτά μπορούν να κάνουν μη-καταστρεπτικό χαρακτηρισμό νανοδομών με τεράστια χωροχρονική ακρίβεια και σε βάθος που το φως δεν διεισδύει και οι ακτίνες-x είναι καταστρεπτικές Ανοίγονται νέες δυνατότητες μελέτης νέων υλικών και των θερμομηχανικών τους ιδιοτήτων σε extreme συνθήκες. Υλικά χρήσιμα για χρήση σε δύσκολα περιβάλλοντα! ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ: Μελέτη υλικών για το εσωτερικό των αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης (HiPER Project) και σχάσης Δυνατότητες Ιατρικών Εφαρμογών σε επίπεδο κυττάρου Δυνατότητες Χρήσης των διατάξεων για μελέτη Υλικών σε μικρό- και νανο-- σκοπικό επίπεδο
Συμμετέχοντες στην Έρευνα Μεταπτυχιακοί και διδακτορικοί φοιτητές: Ιωάννης Ορφανός, Ειρήνη Τζιανάκη, Βαγγέλης Κασελούρης, Ευάγγελος Κοτσιάς Ερευνητές (PhDs): Γιώργος Τσιμπίδης, Δημήτρης Ζαχαριουδάκης, Γιώργος Κωνσταντινίδης, Παναγιώτης Λουκάκος Καθηγητές ΑΕΙ: Μιχάλης Ταταράκης, Μάκης Μπακαρέζος, Βασίλης Δημητρίου, Νίκος Βάινος, Ανδρέας Λύρας, Κώστας Κοσμίδης, Πάνος Πατσαλάς & Νεκτάριος Παπαδογιάννης (Ε.Υ.) ΑΡΦΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ ΕΝΙΣΦΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑΔΩΝ ΤΟΥ ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ
ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ I (μέχρι σήμερα) Σε επιστημονικά περιοδικά 1. Y. Orphanos, V. Dimitriou, E. Kaselouris, E. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis An integrated method for material properties characterization based on pulsed laser generated surface acoustic waves Microelectronic Engineering 112, 249 (2013) 2. V. Dimitriou, E. Kaselouris, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis Three dimensional transient behavior of thin films surface under pulsed laser excitation Applied Physics Letters 103, 114104 (2013) 3. V. Dimitriou, E. Kaselouris, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N. Vainos, I.K. Nikolos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis The thermo-mechanical behavior of thin metal films under nanosecond laser pulse excitation above the thermoelastic regime Applied Physics A: Materials Science & Processing 118, 739 (2015) 4. Ε. Tzianaki, M. Bakarezos, G.D. Tsibidis, Y. Orphanos, P.A. Loukakos, C. Kosmidis, P. Patsalas, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis High acoustic strains in Si through ultrafast laser excitation of Ti thin-film transducers Optics Express 23, 17191 (2015)
ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ II (μέχρι σήμερα) Σε επιστημονικά συνέδρια/ Πρακτικά Συνενδρίων 1. Y. Orphanos, V. Dimitriou, E. Kaselouris, E. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis Short-pulse laser-generated surface nano-acoustic waves, 5 th International Conference "Micro & Nano2012" on Micro - Nanoelectronics, Nanotechnologies and MEMS, Kokkini Hani, Heraklion, 7-10 October 2012 2. Ι. Ορφανός, Β. Δημητρίου, Ε. Κασελούρης, Σ. Μπρέζας, Ε. Μπακαρέζος, Μ. Ταταράκης, Ν. Βάινος, και Ν.Α. Παπαδογιάννης, Σρισδιάστατη απεικόνιση ολικού πεδίου νανο-ακουστικών κυμάτων σε μεταλλικές και διηλεκτρικές επιφάνειες με τη χρήση παλμικών πηγών laser, Ακουστική 2012, Ιόνιο Πανεπιστήμιο, Κέρκυρα, 8-10 Οκτωβρίου 2012, Πρακτικά σσ. 120-127 (2012) 3. E. Kaselouris, Y. Orphanos, V. Dimitriou, E. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis 3D finite element modeling of laser-generated surface acoustic waves in film-substrate systems validated by experiments 10 th HSTAM International Congress on Mechanics, Chania, 25-27 May 2013, CD-rom Proceedings (2013) 4. Ε. Τζιανάκη, Ι. Ορφανός, Ε. Κασελούρης, Ε. Μπακαρέζος, Β. Δημητρίου, Μ. Ταταράκης, Ν. Παπαδογιάννης Νανοακουστικά κύματα με τη χρήση υπερβραχέων παλμών laser και οι εφαρμογές τους σε σύνθετα υλικά Ακουστική 2014, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη, 20-21 Οκτωβρίου 2014, Πρακτικά σσ. 270-277 (2014) 5. E. Tzianaki, Y. Orphanos, M. Bakarezos, G.D. Tsibidis, P.A. Loukakos, C. Kosmidis, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis, Ultrafast laser-induced thermo-mechanical changes of Ti thin films on Si substrates, 30 th Panhellenic Conference on Solid-State Physics and Materials Science, Heraklion, 21-24 Sept. 2014 6. M. Bakarezos, Y. Orphanos, I. Tzianaki1, V. Kaselouris, V. Dimitriou, G.D. Tsibidis, P.A. Loukakos, M. Tatarakis and N.A. Papadogiannis, Ultrafast dynamics and imaging of laser-generated nano-acoustic waves in metal/substrate layered systems, International Symposium Photonica 2015 of Serbian Academy of Sciences, Belgrade Serbia, 24-28 August 2015
ΑΡΦΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ ΕΝΙΣΦΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑΔΩΝ ΤΟΥ ΤΕΙ ΚΡΗΤΗΣ Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος "Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση", Πράξη Αρχιμήδης ΙΙΙ/ ΤΕΙ Κρήτης(Υποέργο 19: «Καινοτόμος οπτοακουστική διάταξη για τον τρισδιάστατο χωροχρονικό μικρο-χαρακτηρισμό σύνθετων υλικών βασισμένη σε υπερβραχείς παλμούς λέιζερ») και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους (Εθνικό Στρατηγικό Πλαίσιο Αναφοράς 2007-2013).