Atomistic-continuum modeling of ultrafast laser-induced melting of silicon targets

In this work, we present an atomistic-continuum model for simulations of ultrafast laser-induced melting processes in semiconductors on the example of silicon. The kinetics of transient non-equilibrium phase transition mechanisms is addressed with MD method on the atomic level, whereas the laser light absorption, strong generated electron-phonon nonequilibrium, fast heat conduction, and photo-excited free carrier diffusion are accounted for with a continuum TTM-like model (called nTTM). First, we independently consider the applications of nTTM and MD for the description of silicon, and then construct the combined MD-nTTM model. Its development and thorough testing is followed by a comprehensive computational study of fast nonequilibrium processes induced in silicon by an ultrashort laser irradiation. The new model allowed to investigate the effect of laser-induced pressure and temperature of the lattice on the melting kinetics. Two competing melting mechanisms, heterogeneous and homogeneous, were identified in our big-scale simulations. Apart from the classical heterogeneous melting mechanism, the nucleation of the liquid phase homogeneously inside the material significantly contributes to the melting process. The simulations showed, that due to the open diamond structure of the crystal, the laser-generated internal compressive stresses reduce the crystal stability against the homogeneous melting. Consequently, the latter can take a massive character within several picoseconds upon the laser heating. Due to the large negative volume of melting of silicon, the material contracts upon the phase transition, relaxes the compressive stresses, and the subsequent melting proceeds heterogeneously until the excess of thermal energy is consumed. A series of simulations for a range of absorbed fluences allowed us to find the threshold fluence value at which homogeneous liquid nucleation starts contributing to the classical heterogeneous propagation of the solid-liquid interface. A series of simulations for a range of the material thicknesses showed that the sample width we chosen in our simulations (800 nm) corresponds to a thick sample. Additionally, in order to support the main conclusions, the results were verified for a different interatomic potential. Possible improvements of the model to account for nonthermal effects are discussed and certain restrictions on the suitable interatomic potentials are found. As a first step towards the inclusion of these effects into MD-nTTM, we performed nanometer-scale MD simulations with a new interatomic potential, designed to reproduce ab initio calculations at the laser-induced electronic temperature of 18946 K. The simulations demonstrated that, similarly to thermal melting, nonthermal phase transition occurs through nucleation. A series of simulations showed that higher (lower) initial pressure reinforces (hinders) the creation and the growth of nonthermal liquid nuclei. For the example of Si, the laser melting kinetics of semiconductors was found to be noticeably different from that of metals with a face-centered cubic crystal structure. The results of this study, therefore, have important implications for interpretation of experimental data on the kinetics of melting process of semiconductors.

Experimentelle Untersuchung des Optimierungspotenzials in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem lateralen Auflösungsvermögen in der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie. Das 3D-Auflösungsvermögen von Phasenobjekten ist im Gegensatz zu dem von Intensitätsobjekten stark nichtlinear und vom spezifischen Messverfahren abhängig. In diesem Zusammenhang sind systematische Messfehler von entscheidender Bedeutung. Für die kurzkohärente Interferenzmikroskopie ist das Überschwingen an Kanten von besonderem Belang, da sich der Effekt bei der Messung vieler technischer Oberflächen negativ auswirkt. Er entsteht durch die Überlagerung von Interferenzsignalen lateral benachbarter Objektpunkte von unterschiedlichen Höhenniveaus. Es wird an speziell für diesen Zweck entwickelten Messsystemen untersucht in wie weit dieser Effekt physikalisch reduziert werden kann und wie sich dies auf die laterale Auflösung auswirkt. An einem für den Einsatz in einer Nanomessmaschine optimierten Linnik-Interferometer wird die Justage eines solchen Systems erläutert. Der Sensor verfügt über die Option mit NUV-Licht betrieben zu werden, um die laterale Auflösung zu verbessern. Aufgrund des Einsatzzweckes ist der Arbeitsabstand relativ groß, was die laterale Auflösung einschränkt. Mit einem zweiten auf die Untersuchungen in dieser Arbeit optimierten Versuchsaufbau können die physikalischen Grenzen der kurzkohärenten Interferenzmikroskopie praktisch untersucht werden. Zu diesem Zweck ist der Aufbau mit einem Mikrospiegelarray ausgestattet, um hierüber variable konfokale Blenden zu schaffen. Mit diesem System wird erstmalig konfokale Mikroskopie mit Weißlichtinterferometrie kombiniert. Durch die optische Selektion der konfokalen Mikroskopie soll die Ursache für die Überschwinger an Kanten reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme stellt die optionale Beleuchtung mit polarisiertem Licht dar, wodurch die laterale Auflösung weiter gesteigert werden kann. Zusätzlich kann auch dieser Aufbau mit kurzwelligem blauem Licht betrieben werden, um die laterale Auflösung zu optimieren. Die Messergebnisse, die mit diesen Versuchsaufbauten gemacht wurden, zeigen, dass im Gegensatz zu den in der derzeitigen Normung genutzten Modellen das Übertragungsverhalten in der Weißlichtinterferometrie bei der Messung von Phasenobjekten stark nichtlinear ist. Das laterale Auflösungsvermögen deckt sich je nach Auswerteverfahren recht gut mit dem von klassischen Mikroskopen bei der Wiedergabe von Intensitätsobjekten. Für die Untersuchungen wurde überwiegend ein Auflösungsnormal mit neun unterschiedlichen eindimensionalen Rechteckstrukturen verwendet, die eine Nominalhöhe im kritischen Bereich kleiner der Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle aufweisen. Die Ergebnisse bestätigen sich aber auch an technischen Messobjekten aus der Praxis wie beispielsweise einer „digital video disc“.

Charakterisierung des Ubiquitin-ähnlichen Proteins Urm1 in Saccharomyces cerevisiae

Das ursprünglich in S. cerevisiae identifizierte Urm1 stellt aufgrund seiner dualen Funktionsweise ein besonderes UBL dar. In einem Prozess, der als Urmylierung bezeichnet wird, kann es ähnlich dem Ubiquitin kovalent mit anderen Proteinen verknüpft werden. Zusätzlich fungiert es aber auch als Schwefelträger, der an der Thiolierung des wobble-Uridins bestimmter cytoplasmatischer tRNAs beteiligt ist. Während neuere Untersuchungen zeigen, dass die Urm1-abhängige tRNA-Thiolierung zu einer effizienten Translation in Eukaryoten beiträgt, ist die Bedeutung der Urmylierung immer noch unklar. Um die Funktion der Urm1-vermittelten Proteinmodifikation weiter aufzuklären, wurde die Urmylierung des Peroxiredoxins Ahp1 im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht. Es konnte demonstriert werden, dass Ahp1 nicht nur als Monomer, sondern auch als Dimer urmyliert vorliegt. Dies deutet darauf hin, dass die Urmylierung mit dem peroxidatischen Zyklus von Ahp1 verknüpft ist. Diese Annahme konnte durch die Untersuchung der Modifikation verschiedener ahp1-Punktmutanten bestätigt werden. Hierbei ließ sich ebenfalls zeigen, dass das Peroxiredoxin wahrscheinlich auch an alternativen Lysinresten urmyliert werden kann. Trotzdem bleibt unklar, inwiefern die Funktionalität von Ahp1 durch die Urm1-Konjugation beeinträchtigt wird. So konnte ein Einfluss der Urmylierung auf die Ahp1-vermittelte Entgiftung des Alkylhydroperoxids t-BOOH nicht festgestellt werden. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung einer möglichen mechanistischen Verknüpfung beider Urm1-Funktionen. Es ließ sich zeigen, dass nicht nur Schwefelmangel, sondern auch ein Verlust der Schwefeltransferase Tum1 zu einer drastischen Reduktion der Urm1-Konjugation führt. Demnach wird die Urmylierung wahrscheinlich über denselben Schwefeltransferweg vermittelt, der ebenfalls zur tRNA-Thiolierung beiträgt. Trotzdem ist der Schwefeltransfer, der zur Urm1-Aktivierung führt, womöglich komplexer als bisher angenommen. Wurden die vermuteten katalytischen Cysteine des Urm1-Aktivatorproteins Uba4 mutiert oder dessen C-terminale RHD entfernt, waren eine gehemmte Urmylierung und tRNA-Thiolierung weiterhin nachweisbar. Somit scheint ein Schwefeltransfer auf Urm1 auch ohne direkte Beteiligung von Uba4 möglich zu sein. In dieser Arbeit ließ sich außerdem zeigen, dass Urm1 in Hefe durch sein humanes Homolog funktional ersetzt werden kann. Dies ist ein Hinweis dafür, dass der Urm1-Weg in allen Eukaryoten gleich funktioniert und konserviert ist. Darüber hinaus scheint für die Urmylierung auch eine Konservierung der Substratspezifität gegeben zu sein. Der Nachweis einer Uba4-Urmylierung in Hefe könnte durchaus darauf hindeuten.