Les simulations montrent que la densité de porteurs diminue rapidement au cours de la première nanoseconde (Figure 2 (à gauche)). Par la suite, le déclin ralentit, entraînant une relaxation beaucoup plus lente. En fait, même à la fin de la simulation à 1 µs, l’échantillon ne s’était pas détendu jusqu’à son état fondamental. Cela signifie que l’impulsion suivante pourrait conduire à une excitation légèrement plus forte et qu’un grand nombre d’impulsions successives pourrait entraîner des dommages cumulatifs sur l’échantillon. Ceci est confirmé par le deuxième tracé de la même figure (à droite) qui montre l’évolution des températures convectives (traits pleins) et atomiques (traits pointillés) au centre du point focal.
Comme le montre la figure 2 (à droite), l’équilibre thermodynamique entre les électrons et les ions s’établit rapidement, puisque le temps caractéristique de couplage électron-ion utilisé dans le modèle est d’environ 0,5 ps.17,30. Passé ce délai, les températures des électrons et des ions restent pratiquement constantes sur les périodes étudiées. Bien que la propagation des ondes porteuses et de l’énergie, en général, devrait conduire à de basses températures au centre du foyer, la recombinaison continue d’Auger influence également fortement la dynamique des porteurs, ce qui fait que les températures ne changent pas sensiblement à des intervalles de temps en nanosecondes. Ceci est dû au grand nombre de porteurs excités, qui se combinent constamment, augmentant ainsi la température des porteurs. Par conséquent, même une légère augmentation de la température se produit sur de longues périodes, selon le modèle actuel. La température atomique finale est d’environ 525 K et la densité finale des porteurs est d’environ \(1,2\fois 10^{24}\) M\(^{-3}\).
L’échelle de temps correspondant à la densité de porteurs n Les changements sont beaucoup plus longs, car d’autres processus (beaucoup plus lents) déterminent le changement. Pour les paramètres de simulation sélectionnés (voir Tab. 1 dans Réf.17) et les conditions initiales, la recombinaison Auger (et non la propagation des porteurs) joue un rôle majeur dans la dynamique de la densité des porteurs. Son taux est proportionnel à \(n^3\) (Eq. 1, premier terme côté combat), ce qui conduit in fine à une densité de porteurs homogène dans la région centrale avec des n,Figure 3 (à gauche, en bas). La propagation du porteur est proportionnelle au coefficient de diffusion Docteur (Qui à son tour est proportionnelle à la température du porteur et dépend très faiblement de la densité du porteur, voir l’équation (10) de la réf.21) et au gradient de densité de porteurs (voir l’équation (9) de la réf.21). En conséquence, la distribution finale de la densité de porteurs dans le plan latéral, figure 3 (gauche et bas), forme un cercle plus grand que le cercle initial, avec une densité de porteurs presque homogène mais faible (deux ordres de grandeur inférieurs à la densité initiale). .
Concernant la température du support, Fig. 3 (à droite), flux de puissance W Il joue le rôle principal dans sa dynamique. W est proportionnel au gradient de température du support (voir l’équation (12) dans la réf.21), provoquant une propagation relativement rapide de l’énergie hors de la région centrale et au fil du temps \(t=1\) s, région chaude plus petite que la région initiale, figure 3 (à droite, en bas).
Nous ne connaissons aucun résultat expérimental disponible pour une comparaison directe avec notre modèle. Cependant, les échelles de temps de relaxation des cibles obtenues dans notre modèle semblent similaires à celles du silicium dopé irradié par une impulsion laser femtoseconde.31. Des données expérimentales supplémentaires sont nécessaires pour confirmer l’exactitude du modèle. Les préparatifs des expériences en question sont en cours.
Dans l’exemple actuel d’implémentation du code NanoDiff, nous avons utilisé les conditions initiales estimées à l’aide de notre outil de simulation interne, XCASCADE. Pour obtenir des conditions initiales plus réalistes, nous prévoyons d’utiliser à l’avenir notre code interne XCASCADE-3D32Prise en compte du transfert balistique d’électrons33La polarisation du faisceau et la forme non uniforme de l’impulsion spatiale. Les distributions finales de particules et d’énergie peuvent servir d’entrées à NanoDiff. Une autre amélioration prévue est d’étendre le code en trois dimensions, permettant de simuler la géométrie des incidents de rasage et ainsi de prédire la relaxation des éléments optiques dans les lignes de lumière XFEL par exemple. Il peut également être utile pour les applications laser femtoseconde (optique).
En résumé, le code NanoDiff est un outil informatique puissant pour simuler la relaxation sur une longue période (jusqu’à quelques microsecondes) de la densité de porteurs, de la température et de la température atomique dans les solides après l’impact d’une impulsion XFEL. Il s’agit d’un outil utile pour analyser la relaxation des matériaux dans les lignes de lumière et les détecteurs XFEL pendant le fonctionnement à une fréquence MHz. Les simulations actuelles montrant la relaxation de la masse de silicium après le dépôt d’une dose relativement faible de 0,06 eV/atome au centre de la tache focale soulignent la nécessité d’une telle analyse. Nous prévoyons de rendre prochainement compte des applications impliquées dans le code.
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