Laser processing of germanium near the melting threshold

This thesis investigates the localized melting process of a germanium substrate induced by single laser pulses. The study focuses on the analysis of the evolution of the surface morphology as a function of the energy density, when the material surface is brought close to the melting threshold. The experiment was conducted using an excimer laser with a wavelength of 248 nm and a pulse duration of 22 ns. This laser allows to induce the melting of the substrate, followed by ultrafast regrowth processes. Near the germanium melting threshold, the laser first liquefies isolated points of the surface, generating during recrystallization pyramidal structures. These structures present a square base and exhibit sides aligned along the <110> direction of the germanium substrate and have width between 50 and 350 nm and height between 3 and 40 nm. Increasing the laser energy density, the phenomenon evolves from localized melting to complete liquefaction of the surface, leading to an increase in roughness and the loss of regularity of the pyramidal structures. The main goal of this thesis is to characterize in detail the formation and evolution of these surface structures in relation to the parameters of the laser process. In order to do this, the surface morphology was analyzed using atomic force microscopy (AFM), which allowed a precise mapping at the nanometer scale of the treated surface. This thesis offers a significant contribution to the understanding of the mechanisms of localized melting and recrystallization in germanium induced by UV laser pulses. The study developed here not only deepens the knowledge of these physical processes, but also opens new technological perspectives, laying the foundations for the development of an innovative method of self-assembly of nano-pyramids.

Questa tesi studia il processo di fusione localizzata di un substrato di germanio indotto da singoli impulsi laser. Lo studio si concentra sull'analisi dell'evoluzione della morfologia superficiale in funzione della densità di energia, quando la superficie del materiale viene portata in prossimità della soglia di fusione. L'esperimento è stato condotto utilizzando un laser ad eccimeri con lunghezza d'onda di 248 nm e una durata di impulso di 22 ns. Questo laser consente di indurre lo scioglimento del substrato, seguito da processi di ricrescita ultrarapidi. In prossimità della soglia di fusione del germanio, il laser provoca dapprima la liquefazione di punti isolati della superficie, generando durante la ricristallizzazione strutture piramidali. Queste strutture, con base quadrata, mostrano lati allineati lungo la direzione cristallografica <110> del substrato di germanio e presentano delle dimensioni comprese tra 50 e 350 nm per la larghezza e tra 3 e 40 nm per l’altezza. Con l’aumento della densità di energia del laser, il fenomeno evolve da una fusione localizzata alla liquefazione completa della superficie, portando a un aumento della rugosità e alla perdita della regolarità delle strutture piramidali. L’obiettivo principale di questa tesi è caratterizzare in dettaglio la formazione e l’evoluzione di queste strutture superficiali in relazione ai parametri del processo laser. A tal fine, la morfologia superficiale è stata analizzata mediante microscopio a forza atomica (AFM), che ha consentito una mappatura precisa su scala nanometrica della superficie trattata. Questa tesi offre un contributo significativo alla comprensione dei meccanismi di fusione localizzata e ricristallizzazione nel germanio indotti da impulsi laser UV. Lo studio qui sviluppato non solo approfondisce la conoscenza di questi processi fisici, ma apre anche nuove prospettive tecnologiche, gettando le basi per lo sviluppo di un innovativo metodo di self-assembly di nano-piramidi.