Comportamento del carburo di silicio sotto irraggiamento con impulsi laser a ps di alta intensità

This thesis attempts at providing an experimental overview of the interaction of an high energy density, ultrashort laser pulse with polycrystalline, homogenous silicon carbide (SiC), both bulk and film. We used the Prague Asterix Laser System (PALS) to perform the irradiations. The laser pulse has a duration of 300 ps, a wavelength of 438 nm and an energy density of about 10 PW/cm^2. Silicon carbide is a ceramic with semiconducting properties. Due to its unique mechanical and thermal properties it finds applications in optics, electronics and as plasma facing component (PFC) material in nuclear fusion reactors. The sample was directly irradiated, without including any shielding, in the case of SiC bulk, while for SiC film a thin layer of LDPE was interposed to produce a forward-plasma plume impinging on the film. Considering bulk SiC, thanks to the very large energy amount deposited on the sample, it was possible to reach exotic regions of the phase diagram, thus activating unusual thermodynamic processes that led to ablation. Due to plasma expansion, a huge shock wave was generated and propagated into the solid causing fracturing and material spallation. As a result of such physical mechanisms deep craters were formed. The SiC film was hit by an energetic ion beam that caused changes in morphology and in surface composition. Due to the high pressure associated to the plume front, most of the film was removed. The experimental analysis were performed using IR and Raman spectroscopy, SEM (equipped with EDX) and TEM electron microscopy. Thanks to these techniques we studied the evolution, induced by the laser/plasma-material interaction, of the morphology, stoichiometry and nanostructure of the samples. In conclusion this study aims to be introductory to further research where a more in-depth exploration of the physical mechanisms of interaction of high energy laser pulses, and of an energetic ion beam, with condensed matter will be performed.

In questa tesi sperimentale si dà una descrizione dell’interazione di un impulso laser ultrabreve ad alta densità di energia con un campione policristallino e omogeneo di carburo di silicio (SiC), sia massivo che film. Ci si è serviti del sistema PALS (Prague Asterix Laser System) per eseguire gli irraggiamenti. L’impulso generato ha una durata di 300 ps, una lunghezza d’onda di 438 nm ed una densità di energia pari a circa 10 PW/cm^2. Il carburo di silicio è un materiale ceramico con proprietà semiconduttive. Grazie alle sue uniche proprietà meccaniche e termiche, viene impiegato nel campo dell’ottica e dell’elettronica e, in prospettiva, come componente di interfaccia ai plasmi (PFC) in ambito fusionistico. Gli irraggiamenti sono stati diretti, senza schermaggi, nel caso del SiC massivo, mentre per il film di SiC è stato interposto un sottile strato di LDPE per produrre una piuma di plasma. Per quanto concerne il SiC massivo, grazie all’elevata densità di energia deposta, è stato possibile raggiungere regioni esotiche del diagramma di fase e attivare processi termodinamici inusuali da cui è derivata l’ablazione di materiale. A causa dell’espansione del plasma, si è generata e propagata un’onda di pressione nel solido che ha portato alla fratturazione ed alla spallazione di materiale. Come conseguenza dei processi avvenuti si sono generati due profondi crateri. Il film di SiC è stato bombardato da un fascio ionico ad alta energia che ha causato cambiamenti nella morfologia e nella composizione. A causa della grande pressione trasportata dal fronte della piuma, la maggior parte del film è stata rimossa. Si sono effettuate misure di spettroscopia IR e Raman e di microscopia SEM (con EDX) e TEM. Grazie a queste tecniche si è studiata l’evoluzione della morfologia, della stechiometria e della nanostruttura del campione indotta dagli irraggiamenti. Questo studio si pone come introduttivo a future ricerche, nelle quali l'obiettivo sarà una comprensione dettagliata dei meccanismi fisici dell’interazione di impulsi laser ad alta energia e di fasci ioni energetici con la materia.