Investigation of the copper grain size influence on the achievable structure resolution and quality in nanoscale direct ablation using ultrashort pulsed laser radiation

Abstract

Lasers de pulso ultra-curtos são cada vez mais utilizados para o processamento preciso de material pois garantem maior qualidade de ablação. Com o avanço da tecnologia são necessárias resoluções estruturais cada vez mais finas e muito se estuda acerca da influência dos parâmetros do laser na obtenção dessas estruturas, porém, ainda pouco se sabe a respeito da influência das propriedades dos materiais na resolução e qualidade da estrutura alcançável. Como ainda há poucas referências dedicadas à investigação científica sobre estas correlações, a escolha atual de um material para microestruturação a laser de alta resolução é baseada puramente em valores empíricos fenomenológicos. Dentre as várias classes de materiais existentes, bem como suas características intrínsecas, no âmbito deste trabalho de conclusão de curso, o objetivo principal foi avaliar a influência do tamanho do grão do cobre, obtido através de diferentes taxas de resfriamento pós fundição, na resolução e qualidade da estrutura alcançável durante a ablação direta em nanoescala usando radiação laser pulsada ultra-rápida. Utilizou-se 3 diferentes tamanhos de grão sendo eles 10, 525 e 1391 µm, onde foram abladas linhas paralelas variando-se a potência do laser em 5,37; 25,34 e 113,9 mW e também as repetições em cada linha em 5, 15 e 50 vezes. As amostras foram caracterizadas microestruturalmente com um microscópio óptico e morfologicamente com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV), o qual também contribuiu para a análise de largura das linhas abladas. A profundidade e o perfil da cavidade de ablação foi verificada com o uso de um microscópio confocal de varredura a laser. A partir da análise do conjunto de dados qualitativos e quantitativos, concluiu-se que o aumento da densidade dos contornos de grão possui, assim como na resistência mecânica e condutividade elétrica, atua como barreiras para a transferência da energia do laser no interior do material, dissipando parte dessa energia devido a sua reatividade e causando menos dano no material. Esse fenômeno faz com que o cobre com menor tamanho de grão auxilie na formação de estruturas mais uniformes e com melhor qualidade na ablação a laser ultra-rápida.

Ultrashort pulse lasers are increasingly used for precise material processing as they ensure a higher quality of ablation. With the advancement of technology, finer structural resolutions are required and much has been studied about the influence of laser parameters in obtaining these structures, but little is known about the influence of material properties on the resolution and quality of the achievable structure. As there are still few references dedicated to scientific research on these correlations, the current choice of a material for high-resolution laser microstructuring is based purely on empirical phenomenological values. Among the various existing classes of materials, as well as their intrinsic characteristics, in the scope of this bachelor’s thesis, the main objective was to evaluate the influence of copper grain size, obtained through different post-casting cooling rates, on the resolution and quality of the structure achievable during direct nanoscale ablation using ultrafast pulsed laser radiation. Three different grain sizes were used, namely 10, 525 and 1391 µm, where parallel lines were ablated by varying the laser power in 5,37; 25,34 and 113,9 mW and also the repetitions in each line in 5, 15 and 50 times. The samples were characterized microstructurally with an optical microscope and morphologically with the aid of a scanning electron microscope (SEM), which also contributed to the analysis of the width of the ablated lines. The depth and profile of the ablation cavity was verified using a confocal laser scanning microscope (CLSM). From the analysis of the qualitative and quantitative data set, it was concluded that the increase in the density of the grain contours possessed, as well as in the mechanical strength and electrical conductivity, acts as barriers for the transfer of laser energy inside the material, dissipating part of this energy due to its reactivity and causing less damage to the material. This phenomenon makes copper with smaller grain size help in the formation of more uniform structures and with better quality in ultrafast laser ablation.