硅晶体激光剥蚀的分子动力学热退火模型

提出一种分子动力学热退火模型以探讨结晶硅在皮秒脉冲激光剥蚀机制。根据热退火模型，已在分子动力学方案中嵌入对 308 nm、10 ps、高斯脉冲与 Si(100) 衬底相互作用的结果所致微观过程的详细描述。这通过显式考虑载流子-声子散射和载流子扩散来实现。在剥蚀阈值能量以下，$F_{th}=0.25 \text{J/cm}^{2}$，表面呼吸模式表明固体通过产生压力波来恢复内部平衡。在 $F_{th}$ 以上，我们的仿真显示物质的移除由亚表面超热效应触发：强烈加热导致激光能量的热约束，使材料加热至硅的临界点，形成强大的压力梯度。同时，载流子向体内的扩散导致表面下方发展出陡峭的温度梯度。物质的移除随后通过压力梯度的松弛而驱动：大块厚达数原子层的熔融物从表面以约 $1000 \text{m/s}$ 的初始轴向速度被抛出，其抛射是由表面下方空洞的核化所致。