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Dynamik metallischer Nanotröpfchen

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2007

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Habenicht, Anja

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Dynamics of metal nanodroplets
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

In this work flat metal nanostructures on inert substrates like glass, silicon or graphite have been illuminated by single intensive laser pulses with fluences above the melting threshold. The liquid structures produced in this way are far from their equilibrium shape and a dewetting process starts. On a timescale of a few nanoseconds, the liquid but still flat nanostructure transforms toward a sphere. During this deformation the center of mass moves upward, which can lead to detachment of droplets from the surface due to inertia. The velocity of the detaching nanodroplets is measured with a light barrier technique. The experiment shows that the velocity of the detached droplet is constant over a large range of laser energy densities. This supports the model of a dewetting driven process: The droplet gains surface energy by transforming toward a sphere which is then converted into kinetic energy. Loss mechanisms like excitation of droplet oscillations and dissipation due to viscous friction are discussed. With this model the escape velocity was predicted for nanostructures of different materials and forms, hence other material parameters like surface tension or density and has been confirmed experimentally.
The droplets are landed on another surface. Two scenarios are found: There are spheres with a similar shape as the droplet or heavily deformed structures. These structures of splashing and rebounding are identical to the structures which can be observed in the macroscopic impact of liquids. The two scenarios can be explained by different temperatures of the droplets when reaching the substrate.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit wurde untersucht was geschieht, wenn ein intensiver, kurzer Laserpuls auf eine Nanostruktur trifft. Dazu wurden flache Nanostrukturen verschiedener Form und Dimension und aus unterschiedlichem Material auf verschiedenen Substraten präpariert. Nach der Bestrahlung mit einem Laserpuls setzt, wenn die Schmelze das Substrat nicht benetzt, Entnetzung ein. Als Endstadium dieser, erhält man allerdings nicht etwa eine Kugel (bzw. Kugelkappe) auf dem Substrat, sondern das Tröpfchen springt vom Substrat ab. Dies hat seinen Grund darin, dass aufgrund der Entnetzung eine große Beschleunigung des Schwerpunkts auftritt, die für das Wegspringen sorgt.
Zunächst stand die Frage, mit welcher Geschwindigkeit die zu Tröpfchen umgeschmolzenen Strukturen fliegen. Dazu wurde ein Streulichtaufbau eingesetzt, in dem die Tröpfchen beim Durchflug durch einen Lichtteppich ein Streulichtsignal erzeugen, aus dem die Geschwindigkeit berechnet wird. Typische Fluggeschwindigkeiten der 100-300 nm großen Tröpfchen liegen bei 10-50 m/s. Daran anschließend wurden die Dimensionen der Nanostruktur verändert und ein Modell entwickelt, um die beobachteten Abhängigkeiten zu erklären. Dieses beruht auf Energieerhaltung. Bei der Entnetzung wandelt sich Oberflächenenergie in kinetische Energie um. Da die gemessene Geschwindigkeit meist erheblich kleiner als die zu erwartende Geschwindigkeit ist, wurden mit der Anregung von Tröpfchenoszillationen und viskosen Reibungsverlusten mögliche Mechanismen aufgedeckt mit denen die kinetische Energie verringert wird. Aufgrund der erwarteten Abhängigkeit der Geschwindigkeit von den Materialparametern Dichte, Oberflächenspannung und Viskosität wurden Vorhersagen für die Fluggeschwindigkeit anderer Metalle als Gold gemacht und mit dem Experiment bestätigt. Ebenso wurden für Strukturen, die sich näher bei der Kugelform befanden und damit eine geringere Oberflächenenergie bei der Entnetzung freisetzten, kleinere Geschwindigkeiten gemessen. Die Geschwindigkeit der fliegenden Tröpfchen hat sich als unabhängig von der eingestrahlten Intensität erwiesen, sofern diese ausreichend war, um zur Entnetzung zu führen.
Die Intensitätsschwelle, bei der fliegende Nanostrukturen zu beobachten waren, wurde bestimmt. Die dreieckigen Goldnanostrukturen schmelzen bereits bei einer Intensität, die nicht genügt, um einen Film gleicher Dicke aufzuschmelzen. Dieser Effekt wurde auf Resonanz zurückgeführt aufgrund derer die aus dem Laser absorbierte Intensität größer ist als bei einem Film. Bei Nickel war der Unterschied zwischen der Schwelle für die Nanostrukturen und für den Film deutlich geringer, was auf die geringere Feldverstärkung zurückgeführt wurde.
Die fliegenden Tröpfchen wurden auf einem Substrat gelandet. Dabei wurden verschiedene Verhaltensweisen beobachtet. Einerseits gibt es nahezu runde Kugeln mit einem Volumen, das genau dem einer Nanostruktur entspricht, andererseits treten Strukturen auf, deren Form stark von einer Kugel abweicht. Das beobachtete Flüssigkeitsverhalten mit Spreiten und Zurückspringen wurde bei Tröpfchen gefunden, die nach einer kurzen Flugstrecke auf das Substrat getroffen sind und die eine große Masse hatten. Das unterschiedliche Verhalten wurde auf eine unterschiedliche Temperatur bei der Landung zurückgeführt und dies aufgrund von Wärmestrahlung erklärt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Tröpfchen, Metallschmelze, droplet, laser annealing

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November 12, 2007
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