Ultra short laser ablation is a common technique for material processing of metal thin films on transparent substrate. Recently, a so-called "confined" laser ablation effect has been reported, where an ultra-short laser pulse (pulse duration 660 fs and wave length 1053 nm) irradiates onto a thin Molybdenum (Mo) film through a transparent glass substrate, resulting in a "lift-off" of the irradiated layer in form of a thin, solid, cylindrical fragment. This effect provides a new and very energy-efficient selective structuring process for the Mo-back electrode in thin-film solar cell production. The aim of this study was to create a Finite Element Method (FEM) simulation model to investigate the underlying mechanism of the confined laser ablation of a thin Mo-film coated on a transparent glass substrate by backside irradiation with an ultra short laser pulse. The 3D axisymmetric FEM model consists of a volume absorption for the laser pulse, a two-temperature model approach for heat diffusion in the electron and the lattice subsystem and a thermo-mechanical expansion part, which includes the expansion in the solid as well as the expansion during the phase transition of melting and evaporation. The time frame of the model ranges from the femtosecond to the microsecond regime to precisely include the involving physical mechanisms, which appear on the different time scales. The simulation reveals that irradiation of the Mo-layer with an ultra-short laser pulse causes a rapid acceleration in the direction of the surface normal within a time frame of a hundred picoseconds to a peak velocity of about 100 m/s. Then, the molybdenum layer continues to move as an oscillating membrane, and finally forms a dome after about 100 ns. The calculated strain at the edges of the dome exceeds the tensile stress limit at fluences that initiate the "lift-off" in experimental investigations. In conclusion, the simulation reveals that the driving mechanism of the "lift-off" with ultra short laser pulses is the ultra-fast expansion of the interface layer and not the generated gas pressure, which is considered to be the driving force of the "lift-off" with short laser pulses. The model is further applied for an investigation to study the melting and vapor volume over a wide range of pulse durations from 5 fs to 100 ps. It turns out, that the maximum vapor volume is reached at a pulse duration between 10 ps to 50 ps. The results provided compelling evidence, that the electron heat transfer is predominant for the ultra-short pulse regime below 10 ps to 50 ps, while the lattice heat transfer is the outbalanced for longer pulse durations. Thus, by considering the vapor volume as the ablated domain, it is supposed that an effective pulse duration exists where the heat conduction of electron and lattice is balanced, such that the vapor volume can be maximized.     «

Ultra short laser ablation is a common technique for material processing of metal thin films on transparent substrate. Recently, a so-called "confined" laser ablation effect has been reported, where an ultra-short laser pulse (pulse duration 660 fs and wave length 1053 nm) irradiates onto a thin Molybdenum (Mo) film through a transparent glass substrate, resulting in a "lift-off" of the irradiated layer in form of a thin, solid, cylindrical fragment. This effect provides a new and very energy-ef...     »

Die ultrakurze Laserablation ist eine verbreitete Technik zur Materialbearbeitung von Metalldünnfilmen auf transparentem Substrat. Kürzlich wurde ein sogenannter "eingeschlossener" Laserablationseffekt beschrieben, bei dem ein ultrakurzer Laserpuls (Pulsdauer 660 fs und Wellenlänge 1053 nm) durch ein transparentes Glassubstrat auf einem dünnen Molybdän (Mo) -Film strahlt, welcher das Abheben der bestrahlten Schicht in Form eines dünnen, festen, zylindrischen Fragments bewirkt. Dieser Effekt bietet einen neuen und sehr energieeffizienten selektiven Strukturierungsprozess für die Mo-Rückseiten-Elektrode bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Das Ziel dieser Studie war es, ein FEM (Finite-Elemente-Methode)-Simulationsmodell zu erstellen, um den zugrunde liegenden Mechanismus der eingeschlossenen Laserablation eines dünnen Mo-Films zu untersuchen der auf ein transparentes Glassubstrat aufgetragen und mit einem ultrakurzen Laserpuls von der Rückseite bestrahlt wurde. Das axialsymmetrische 3D-FEM-Modell besteht aus einer Volumenabsorption für den Laserpuls, einem Zwei-Temperatur-Modell für die Wärmediffusion im Elektron und im Gittersubsystem sowie einem thermomechanischen Expansionsteil, der sowohl die Expansion im Festkörper als auch die Expansion während des Phasenübergangs vom Schmelzen und Verdampfen umfasst. Die Zeitdauer des Modells reicht von dem Femtosekunden- bis in den Mikrosekundenbereich, um die beteiligten physikalischen Mechanismen, die auf den verschiedenen Zeitskalen auftreten, präzise einzubeziehen. Die Simulation zeigt, dass die Bestrahlung der Mo-Schicht mit einem ultrakurzen Laserpuls innerhalb eines Zeitrahmens von hundert Pikosekunden eine schnelle Beschleunigung in Richtung der Oberflächennormalen der Schicht auf eine Spitzengeschwindigkeit von etwa 100 m/s bewirkt. Dann bewegt sich die Molybdänschicht als oszillierende Membran weiter und bildet schließlich nach etwa 100 ns eine Kuppel. Die berechnete Dehnung an den Rändern der Kuppel überschreitet die Zugspannungsgrenze bei Fluenzen, die bei experimentellen Untersuchungen zum Ablösen der Schicht führen. Zusammenfassend zeigt die Simulation, dass der Antriebsmechanismus des „Abhebens“ einer dünnen Metall Schicht mit ultrakurzen Laserpulsen die ultraschnelle Ausdehnung der Grenzflächenschicht und nicht der erzeugte Gasdruck ist, der als treibende Kraft des " Abheben" mit kurzen Laserpulsen bekannt ist. Das Modell wird ferner für eine Untersuchung angewendet, um das Schmelz- und Dampfvolumen über einen weiten Pulsdauer von 5 fs bis 100 ps zu untersuchen. Es stellt sich heraus, dass das maximale Dampfvolumen bei einer Pulsdauer zwischen 10 ps und 50 ps erreicht wird. Die Ergebnisse lieferten überzeugende Beweise dafür, dass die Elektronenwärmeübertragung für das ultrakurze Pulsregime unter 10 ps bis 50 ps vorherrscht, während die Gitterwärmeübertragung für längere Pulsdauern überwiegt. Unter der Annahme, dass das Dampfvolumens als abgetragener Domäne betrachtet wird, wird angenommen, dass eine effektive Pulsdauer existiert, bei der die Wärmeleitung von Elektron und Gitter ausgeglichen ist, so dass das Dampfvolumen maximiert werden kann.     «

Die ultrakurze Laserablation ist eine verbreitete Technik zur Materialbearbeitung von Metalldünnfilmen auf transparentem Substrat. Kürzlich wurde ein sogenannter "eingeschlossener" Laserablationseffekt beschrieben, bei dem ein ultrakurzer Laserpuls (Pulsdauer 660 fs und Wellenlänge 1053 nm) durch ein transparentes Glassubstrat auf einem dünnen Molybdän (Mo) -Film strahlt, welcher das Abheben der bestrahlten Schicht in Form eines dünnen, festen, zylindrischen Fragments bewirkt. Dieser Effekt biet...     »