Über die Stabilität frei fliegender flüssiger Filme

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FRANK, Pascal, 2011. Über die Stabilität frei fliegender flüssiger Filme [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz

@phdthesis{Frank2011Stabi-13640, title={Über die Stabilität frei fliegender flüssiger Filme}, year={2011}, author={Frank, Pascal}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

deposit-license 2011 Das Ziel dieser Arbeit liegt in der Charakterisierung des Fluges von dünnen,<br />flüssigen Filmen nach der Laserablation. Ein besonderer Fokus gilt der Stabilität<br />gegenüber intrinsischen Störungen und gegenüber aufgeprägten periodischen<br />Inhomogenitäten.<br /><br />Die für die Experimente verwendeten Isopropanolschichten in Dicken zwischen<br />100 nm und 1.5 µm werden auf einem Siliziumsubstrat kondensiert. Durch den<br />Beschuss mit einem kurzen und intensiven Laserpuls (λ = 532 nm, FWHM = 13 ns)<br />wird ein kleiner Teil der Flüssigkeit an der Grenzschicht zum Silizium überhitzt und<br />verdampft. Das unter Druck stehende Gaskissen beschleunigt den darüberliegenden<br />Film, dessen Dynamik durch einen interferometrischen Aufbau analysierbar wird.<br />Aus den experimentellen Daten kann so die Flugkurve extrahiert werden, die<br />unter anderem die Rückbeschleunigung der Filme zum Substrat zeigt. Dies ist<br />plausibel, wenn der Film geschlossen ist und sich so ein Unterdruck unter dem<br />Film aufbauen kann. Aus der Energiebetrachtung der beteiligten Drücke kann die<br />Bewegungsgleichung der Filme motiviert werden, dessen numerische Lösung die<br />experimentellen Trajektorien mit hoher Genauigkeit beschreibt.<br /><br />Die Flugkurven bieten direkten Einblick in die Geschwindigkeit, die Flugdauer<br />und die Flughöhe der Filme. Die Maximalgeschwindigkeit der Filme direkt nach<br />der Beschleunigungsphase definiert die kinetische Energie, die der Film aus der<br />Expansion des Gaskissens übertragen bekommt. Die Startgeschwindigkeiten liegen<br />zwischen 60 m/s und 15 m/s. Die kinetische Energie ist über einen weiten Bereich<br />von untersuchten Schichtdicken (zwischen 100 nm und 1.1 µm) nahezu konstant.<br />Das bedeutet, dass der Phasenübergang an sich schichtdickenunabhängig ist und<br />dass es keinen prominenten, massenabhängigen Dissipationsmechanismus geben<br />kann. Die erreichte Flughöhe liegt zwischen 2 µm und 3 µm, während die Flugzeit<br />stark schichtdickenabhängig zwischen 150 ns und 500 ns beträgt.<br /><br />Geht die komplette kinetische Energie in die potentielle Energie des Filmes<br />über, gibt die Flughöhe direkten Aufschluss über den unter dem Film erreichten<br />Unterdruck, der für die Redeposition verantwortlich ist. Dieser Unterdruck beträgt<br />für die untersuchten Filme zwischen 300 und 500 hPa.<br /><br />Die Laserenergiedichte bei der Ablation, bei der zusammenhängende Filme<br />beobachtet werden konnten, reicht von 30 % bis hin zu 140 % der Silizium-<br />schmelzschwelle. Fliegende Filme verlangen eine minimale Energiedichte, da die<br />Blasennukleation an der Grenzschicht beim Phasenübergang sonst nicht schnell<br />genug vonstatten geht. Der für die Beschleunigung notwendige Druck wird dann<br />nicht erreicht. Die maximale Energiedichte liegt vor, wenn der Schmelzvorgang die Ablation der Flüssigkeit stört, so dass die Filme aufbrechen und nicht zum Substrat zurückkehren. Aus der Startzeit der Filme kann durch eindimensionale<br />Wärmeflussberechnungen auf die Temperatur im Silizium geschlossen werden, die<br />eine große Streuung im Bereich zwischen 400 und 500 K aufweist, also zwischen<br />der Siedetemperatur (355 K) und der Temperatur maximaler überhitzung (508 K)<br />von Isopropanol.<br /><br /><br /><br />Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Flug inhomogen ablatierter<br />Filme. Dazu wird das Silizum mit zwei interferierenden Laserstrahlen geheizt, so<br />dass eine linienförmige Intensitätsmodulation entsteht. Der Phasenübergang wird<br />dementsprechend inhomogen initiiert. Das resultiert in einem zweifach modulierten<br />Film. Zum einen ist die Schichtdicke nicht gleichmäßig, zum anderen hat der<br />Film eine periodische Verbiegung. Diese Modulationen können durch die Beugung<br />an dieser Störung detektiert werden. Die Amplitude der Beugungssignale gibt<br />Aufschluss über die Höhe der Modulation. Das Beugungssignal ist wie das direkt<br />reflektierte Licht ein Interferenzsignal; die Frequenz und Phase unterscheiden<br />sich jedoch aufgrund anderer Weglängenunterschiede der beteiligten Strahlen<br />voneinander.<br /><br />Für die kurzen Modulationsperioden von 1.7 µm und 2.5 µm kann ein schicht-<br />dickenabhängiges Verhalten der Modulation beobachtet werden. Während die<br />Beugungsintensität bei dünnen Filmen beinahe konstant bleibt, nimmt diese bei<br />dickeren Filmen noch während der Flugzeit stark ab. Die Dämpfung der wel-<br />lenförmigen Modulation auf einer freien Oberfläche durch die Oberflächenspannung<br />in Abhängigkeit von der Schichtdicke kann in einem einfachen Modell qualitativ<br />erklärt werden. Bei den größeren Modulationsperioden von 3.3 µm und 4 µm konn-<br />te nur bei kleinsten angeregten Modulationsamplituden ein zusammenhängender<br />Film beobachtet werden. Auf diesen Filmen nimmt die Beugung jedoch während<br />der Dauer des Fluges zu. Die Instabilität wächst demnach an. Dieses Phänomen ist<br />plausibel, wenn man bedenkt, dass die Oberfläche eines Filmes kleiner wird, wenn<br />er in Streifen aufreißt, die eine gewisse Periode in Abhängigkeit von der Filmdicke<br />überschreiten. Dieses Verhältnis begünstigt das Anwachsen der Modulation mit<br />größeren Perioden.<br /><br />Weiterhin wurden Untersuchungen zur Ablationsschwelle der Filme präsentiert.<br />Der Schwellenwert der inhomogen ablatierten Filme liegt bei 64 % der Schwelle<br />homogen ablatierter Filme, da in den Interferenzmaxima des inhomogenen La-<br />serprofils doppelte Energiedichten erreicht werden. Dies deutet auf eine minimale<br />Größe des überhitzten Bereiches, ab der die Energie ausreicht, um den gesamten<br />Film von der Unterlage zu heben.<br /><br /><br />Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen an frei fliegenden, flüssigen<br />Filmen zeigen, dass die Stabilität dieser Filme über einen großen experimentell<br />zugänglichen Bereich gegeben ist. Die Thermodynamik der Ablation und die Hy-<br />drodynamik bei der Bewegung dieser Filme sind damit der Messung zugänglich und<br />werfen doch grundlegende Fragen im mesoskopischen Bereich zwischen klassischer<br />Gleichgewichtstheorie und der mikroskopischen Wechselwirkung auf. The stability of free flying fluid films 2011-06-24T07:18:34Z 2011-06-24T07:18:34Z Frank, Pascal Über die Stabilität frei fliegender flüssiger Filme deu Frank, Pascal

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