Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

laser,procédés,matériaux,impression par laser,nanostructures,

Keywords

laser,processes,materials,laser printing,nanostructures,

Titre de thèse

Nano-impression 3D par laser
3D laser nano-printing

Date

Mercredi 14 Septembre 2022

Adresse

Faculté des Sciences Amphi, 163 Av. de Luminy, 13009 Marseille Faculté des Sciences Amphi A

Jury

Directeur de these M. Philippe DELAPORTE Aix-Marseille University
CoDirecteur de these M. David GROJO CNRS, LP3 laboratory
Rapporteur Mme Ionna ZERGIOTI National Technical University of Athens
Rapporteur Mme Maria DINESCU University of Bucharest
Examinateur Mme Anne Patricia ALLONCLE CNRS, LP3 Laboratory
Examinateur M. Laurent BERTHE CNRS , Laboratoire PIMM

Résumé de la thèse

La technique LIFT (Double Pulse-LIFT), dérivée de la technique LIFT (Laser-Induced Forward Transfer), offre une nouvelle approche pour la nanofabrication additive 3D. Cette technique présente un grand potentiel pour améliorer la résolution et la flexibilité des applications d'impression. Dans cette étude, nous étudions le transfert du cuivre. Une longue impulsion laser est d'abord appliquée pour faire fondre des films minces de cuivre déposés sur un substrat transparent, suivie d'une impulsion laser ultra courte pour initier le transfert du matériau liquide vers un substrat récepteur. Cette thèse vise une étude complète des mécanismes impliqués dans le processus DP-LIFT. L'effet des deux paramètres d'impulsion sur les phénomènes de jetting a été soigneusement étudié à l'aide de diverses méthodes d'observation. Dans des conditions laser approximatives, des expériences d'imagerie à résolution temporelle révèlent que des éjections de nano-gouttes à des jets liquides de diamètres contrôlables, de quelques micromètres à l'échelle du nanomètre, peuvent être obtenues. L'influence du bain de fusion formé par la première impulsion longue est étudiée en considérant la forme, la température et le diamètre du bain. En comparant la simulation et les expériences, nous discutons comment les caractéristiques d'éjection sont gouvernées par ces facteurs. Alors que la formation de micro-jets est due à la déformation dynamique du film fondu, comme pour le procédé LIFT conventionnel appliqué avec des donneurs liquides, les résultats indiquent un processus différent et distinct pour la formation de nanojets. Sur cette base, nous établissons l'ensemble des paramètres d'irradiation conduisant à l'observation de microjets et de nanojets séparés. De plus, nous interprétons le phénomène derrière l'observation et la formation des nanojets. Nous extrapolons à partir des observations une caractéristique causée par l'interaction de l'onde de choc, générée par l'irradiation laser femtoseconde, avec la surface déformée du bassin. Enfin, pour valider l'apparition des nanojets, nous discutons des performances d'impression réalisables.

Thesis resume

Double Pulse-LIFT as derived from the Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) technique provides a new approach for 3D additive nanofabrication. This technique holds great potential to improve the resolution and flexibility of printing applications. In this study, we investigate the transfer of copper. A long laser pulse is first applied to melt thin copper films deposited on a transparent substrate, followed by an ultrashort laser pulse to initiate the transfer of the liquid material towards a receiver substrate. This thesis targets a comprehensive study of the mechanisms involved in the DP-LIFT process. The effect of both pulse parameters on the jetting phenomena has been carefully studied by means of various observation methods. Under approximate laser conditions, time-resolved imaging experiments reveal that ejections from nanodrops to liquid jets with controllable diameters, from a few micrometers down to the nanometers scale can be obtained. The influence of the molten pool formed by the first long pulse is studied by considering the shape, temperature, and diameter of the pool. Comparing simulation and experiments we discuss how the ejection characteristics are governed by these factors. While the formation of microjets is due to the dynamical deformation of the melted film, as for the conventional LIFT process applied with liquid donors, the results indicate a different and distinct process for the formation of nanojets. Based on this, we establish the set of irradiation parameters leading to the observation of single separated microjets and nanojets. Further, we interpret the phenomenon behind the observation and formation of nanojets. We extrapolate from the observations a feature caused by the interaction of the shockwave, generated by the femtosecond laser irradiation, with the deformed surface of the pool. In the end, to validate the occurrence of nanojets, we discuss the achievable printing performances.