Ultrafast Laser Interaction for Chemical and Topological Functionalization of Metallic Surfaces

Interaction ultra-rapide des lasers pour la fonctionnalisation chimique et topologique des surfaces métalliques L’irradiation ultra-rapide au laser des matériaux devient un élément clé du développement de nouvelles fonctionnalisations de surface. Cela est réalisé en manipulant la topographie de surface et la chimie de surface. Alors que la topographie de surface a été largement explorée ces dernières années, relativement peu de travaux se sont concentrés sur les altérations chimiques qui l’accompagnent. Cette thèse comble principalement cette lacune en se concentrant sur l’oxydation induite par laser femtoseconde (fs) du tungstène liée à la formation de fréquentes ondulations de haute fréquence (High Spatial Frequency Laser induced periodic surface structures (HSFL)). Cela est réalisé en effectuant des expériences dans diverses conditions gazeuses et de pression (ambiante, air à 10 mbar, azote à 10 mbar, argon à 10 mbar et vide à 10−7 mbar) pour générer des HSFL d’amplitude inférieure à 20 nmet de périodicité inférieure à 100 nm. Les premiers résultats montrent le rôle négligeable de l’oxydation dans la formation des HSFL, mais sont significativement guidés par des phénomènes hydrodynamiques. Cela répond à l’un des principaux débats au sein de la communauté scientifique concernant la nécessité de l’oxydation pour la formation de ces nanostructures HSFLs. Cette étude suggère que l’instabilité Rayleigh-Bénard-Marangoni induite par laser fs explique bien à la formation des HSFL, comme le confirme l’observation de nano-cavits en sous-surface associés à celles-ci. De plus, la thèse se concentre sur les HSFL générées dans des conditions ambiantes et sous vide pour différencier entre les oxydes générés par le laser et les oxydes accumulés au fil du temps en raison de l’exposition à l’ambiante. De manière intéressante, nous observons que les oxydes générés par le laser sont cristallins, tandis que les oxydes accumulés au fil du temps sont amorphes, ce qui est également confirmé par la différence de mouillabilité entre les deux types d’oxydes. Cela ouvre la voie à la possibilité de régler la réponse physico-chimique des surfaces irradiées par laser en fonction des variations de la chimie de surface sur la même topographie de surface (HSFL sur W). De plus, le mécanisme d’oxydation accompagnant l’irradiation laser femtoseconde est étudié en utilisant la littérature, des analyses expérimentales et numériques. Cette approche nous aide à proposer une accumulation d’oxydes par les multiples impulsions laser successives, gouvernée par la diffusion de l’oxygène. Cela constitue une contribution essentielle à la communauté scientifique, car cette étude établit la temporalité de l’oxydation induit par laser, ce qui est un aspect important de l’interaction laser-matière, en plus de proposer un moyen de contrôler l’oxydation qui accompagne l’irradiation laser ultra-rapide.