MINISETRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI-OUZOU FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE THESE DE DOCTORAT SPECIALITE : Physique OPTION : Physique des Matériaux Sujet : Présentée par Mr. Madjid DJOUDER MODELISATION DE LA FORMATION DES NANOSTRUCTURES OBTENUES PAR ABLATION LASER EN REGIME FEMTOSECONDE Devant le jury d'examen composé de : Mr. Mouloud BENNAKI Professeur UMMTO Président Mr. Omar LAMROUS Professeur UMMTO Rapporteur Mr. El-Hachemi AMARA Directeur de Recherche CDTA Examinateur Mr. Mohamed KHELKHAL Maître de Conférence USTL de Lille, France Examinateur Mr. Omar ZIANE Professeur USTHB Examinateur Soutenue le 11 Novembre 2012
Remerciements Je suis très reconnaissant à Monsieur Omar LAMROUS, Professeur à l UMMTO, pour la confiance qu il m a accordée en m accueillant dans son équipe au sein du Laboratoire de Physique et de Chimie Quantique (LPCQ). Son soutien et sa disponibilité m ont beaucoup aidé pour mener à bien ce présent travail. Qu il veuille bien croire à l expression de ma haute considération. Je remercie Monsieur M. BENNAKI, Professeur à l UMMTO, de m avoir fait l honneur de présider le jury de soutenance. Mes remerciements vont également aux messieurs E.H. AMARA, Directeur de Recherche au CDTA, M. KHELKHAL, Maître de Conférence à l Université Lille 1 et à M. O. ZIANE, Professeur à L USTHB, d avoir accepté d examiner ce travail de thèse. Qu ils veuillent bien trouver ici l expression de ma profonde gratitude. Je tiens à remercier vivement Madame Tatiana ITINA, Directeur de Recherche au CNRS (Laboratoire Hubert Curien, St Etienne, France), pour son aide tout au long du travail, notamment la documentation qu elle a eu l amabilité de me fournir. Je ne saurais remercier assez mes parents, mes frères et ma sœur pour leur disponibilité ainsi que ma femme qui a beaucoup contribué au bon déroulement de mon travail. Un grand merci amical aux membres de l équipe du LPCQ qui ont su installer un climat des plus favorables au travail de recherche.
MODELISATION DE LA FORMATION DES NANOSTRUCTURES OBTENUES PAR ABLATION LASER EN REGIME FEMTOSECONDE Résumé Par Madjid DJOUDER Cette thèse se focalise sur la texturation à l échelle submicronique de surfaces métalliques créée par ablation laser femtoseconde qui présente de nombreuses applications dans le domaine des nanotechnologies. En général, les formations de nanostructures sur une surface irradiée par des lasers à impulsions courtes ont été observées expérimentalement depuis 1965, et sont généralement qualifiés de structures de surface périodiques induites par laser (en anglais LIPSS). Les modèles théoriques existants ne décrivent pas l'origine, ni l'évolution de ces nanostructures de façon satisfaisante. C'est la raison pour laquelle de nouvelles modélisations sont nécessaires pour mieux comprendre leur formation. Dans cette thèse, la méthode dite Particule In Cell (PIC) est utilisée pour modéliser la formation de LIPSS sur une surface métallique. Le mécanisme d'explosion de Coulomb est proposé en tant que mécanisme responsable de la formation de ces nanostructures. L'influence des paramètres du laser sur leur formation (morphologie, taille, période,...) et des comparaisons avec les résultats de la littérature sont rapportés. Mots-clés : femtoseconde, nanostructure, ablation, PIC, stries, FDTD. Abstract This thesis focuses on surface texturing on sub-micron scale created by femtosecond laser ablation that has various applications in nanotechnology. In general, the formations of ripples on a surface irradiated by short pulse lasers has been observed experimentally since 1965, and are usually referred to as Laser Induced Periodic Surface Structures (LIPSS). Existing theoretical models do not describe the origin, nor growth of the ripples satisfactorily. That is why new models are needed in the investigation of ripple formation. In this thesis, using Particle In Cell method (PIC), we study the development of LIPSS as a result of femtosecond laser pulses on a surface of metal. The Coulomb explosion mechanism is proposed as a mechanism responsible for the formation of the nano-structures. The influence of laser parameters on ripples formation (morphology, size, periodicity,...) and comparisons with results from the literature were reported. Keywords: femtoseconde, nanostructure, ablation, PIC, ripples, FDTD.