Кiнцево-елементне моделювання впливу швидкостi сканування на формування графену, iндукованого фемтосекундним лазером
Анотація
Iндукований лазером графен (LIG) забезпечує безмаскове пряме записування провiдних вуглецевих структур на пiдкладках iз полiiмiду для застосувань у гнучкiй електронiцi та сенсорних системах. У випадку графену, iндукованого фемтосекундним лазером (FLIG), швидкiсть сканування суттєво впливає на локальне температурне поле, а отже — на ступiнь i якiсть графiтизацiї, однак ця залежнiсть досi не є повнiстю кiлькiсно визначеною. У цьому дослiдженнi в середовищi COMSOL Multiphysics реалiзовано нестацiонарну скiнченно-елементну модель для визначення розподiлу температури, що формується фемтосекундним лазерним пучком на поверхнi полiiмiду залежно вiд швидкостi сканування. Лазер описано як рухоме гаусiвське поверхневе джерело тепла, а нестацiонарне
рiвняння теплопровiдностi розв’язується для вiдтворення надшвидкого нагрiвання та охолодження пiд час серiї iмпульсiв. Результати моделювання для швидкостей сканування в дiапазонi 0,05–0,20 м/с показують, що зменшення швидкостi призводить до зростання пiкової температури та розширення зони термiчного впливу, тодi як збiльшення швидкостi зменшує обидва цi параметри. Порiвняння розрахованих пiкових температур iз порогами графiтизацiї, наведеними в лiтературi для графену, отриманого з полiiмiду, дозволило визначити промiжне вiкно швидкостей сканування, за якого тепловий бюджет є достатнiм для формування графену без надмiрного перегрiвання та пошкодження матерiалу.Запропонована модельна схема є практичним iнструментом для попереднього вибору параметрiв фемтосекундного лазера та прискорення оптимiзацiї процесiв FLIG у виробництвi гнучких графенових пристроїв.
Завантаження
Посилання
S. P. Lee, H. Kim, and J. Park, “A review on laser-induced graphene in flexible energy storage and conversion devices,” Chem. Eng. J. 499, 156110 (2024). https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156110.
J. Yang, J. Yu, K. Zhang, F. Qiao, and G. Yu, ”Laser-Induced Graphene Toward Flexible Energy Harvesting and Storage Electronics,” Advanced Materials Technologies, 9(22), 2301602 (2024). https://doi.org/10.1002/admt.202301602
M. R. Bedilov, Kh. B. Beisembaeva, and I. Yu. Davletov, ”Formation of the spectra of multiply charged ions from the plasma of Nddoped glass irradiated with a neodymium laser,” Technical Physics, 47(8), 1019–1023 (2002). https://doi.org/10.1134/1.1501684
Bedilov, M. R., Davletov, I.Y., Sabitov, M. S., Berdierov, G. R., Tsoi, T. G., ”Multiply charged ion spectra of a laser plasma produced on both sides of the target,” Quantum Electronics, 31(5), 453 (2001). https://doi.org/10.1070/QE2001v031n05ABEH001977
M. R. Bedilov, R. T. Khaidarov, B. K. Yakubov, and U. S. Kunishev, ”Charge and energy spectra of multiply charged ions of a two-element laser plasma formed from targets of different densities,” Quantum Electronics, 26(9), 814 (1996). https://doi.org/10.1070/QE1996v026n09ABEH000788
M. S. Isaev, U. T. Asatov, M. A. Tulametov, S. R. Kodirov, and A. E. Rajabov, ”Study of the Inhomogeneities of Overcompensated Silicon Samples Doped with Manganese,” East European Journal of Physics, (2), 341–344 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-40
J. S. Abdullayev, J. S. Abdullayev, I. B. Sapaev, J. I. Razzokov, D. A. Juraev, E. E. Elsayed, ”Modeling of Optoelectronic Properties in p-Si/n-CdmZn1-mS Heterojunctions: Effects of Composition and Temperature,” Journal of Electronic Materials, 54, 11607–11617 (2025). https://doi.org/10.1007/s11664-025-12480-8
A. T. Mamadalimov, M. S. Isaev, M. N. Mamatkulov, S. R. Kodirov, and J. T. Abdurazzokov, ”Study of Silicide Formation in Large-Diameter Monocrystalline Silicon,” East European Journal of Physics, (2), 366–371 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-45
M. S. Isaev, A. I. Khudayberdieva, M. N. Mamatkulov, U. T. Asatov, and S. R. Kodirov, ”The Surface Layer Morphology of Si⟨Cr⟩ Samples,” East European Journal of Physics, (4), 297–300 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-4-32
H. Wang, Z. Zhao, P. Liu, and X. Guo, ”Laser-Induced Graphene Based Flexible Electronic Devices,” Biosensors, 12(2), 55 (2022). https://doi.org/10.3390/bios12020055
C. Francis, A. Rektor, T. Valayil-Varghese, N. McKibben, I. Estrada, J. Forbey, and D. Estrada, “Laser-induced graphene gas sensors for environmental monitoring,” Front. Chem. 12, (2024). https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1448205
T. Han, A. Nag, R.B.V.B. Simorangkir, N. Afsarimanesh, H. Liu, S.C. Mukhopadhyay, and Y. Xu, et al., ”Multifunctional Flexible Sensor Based on Laser-Induced Graphene,” Sensors, 19, 3477 (2019). https://doi.org/10.3390/s19163477
X. Zhao, J. Zhai, Y. Zhou, J. Hu, and L. Wang, “Femtosecond laser-driven synthesis of laser-induced graphene: Optimizing microstructure and electrochemical performance for flexible electrodes,” Journal of Colloid and Interface Science, 703, Part 1 (2026). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139061
M. R. Bedilov, I. Yu. Davletov, and Sh. D. Sultanov, ”Charge and energy spectra of fast multicharged ions in a laser plasma,” Plasma Physics Reports, 28(12), 1038–1040 (2002). https://doi.org/10.1134/1.1528235
R.T. Khaydarov, H.B. Beisinbaeva, M.M. Sabitov, Milan Kalal, and G.R. Berdiyorov, ”Conditions defining the mechanisms of the formation of light gas ions in multicomponent laser-produced plasmas,” Nuclear Fusion, 50(10), 105007 (2010). https://doi.org/10.1088/0029-5515/50/10/105007
M. Guan, Z. Zhang,W. Zhu, Y. Gao, S.Wang, and X. Li, “Femtosecond laser-induced graphene for temperature and ultrasensitive flexible strain sensing,” Front. Mater. Sci. 18(3), 240696 (2024). https://doi.org/10.1007/s11706-024-0696-6
R. Murray, M. Burke, D. Iacopino, and A.J. Quinn, “Design of Experiments and Optimization of Laser-Induced Graphene,” ACS Omega, 6(26), 6736–16743 (2021). https://doi.org/10.1021/acsomega.1c00309
G. S. Boltaev, M. Iqbal, S. R. Kamalov, M. Vapaev, I. Y. Davletov, and A. S. Alnaser, ”Impact of plasma conditions on the shape of femtosecond laser-induced surface structures of Ti and Ni,” Applied Physics A, 128(6), 488 (2022). https://doi.org/10.1007/s00339-022-05614-w
B. X. Eshchanov, G. I. Mukhamedov, N. S. Khalilova, B. R. Sobirov, M. Vapaev, G. S.Boltaev, ”Ultrafast laser nanostructured silicon coated with silver nanoparticles for efficient SERS detection of R6G,” Applied Physics A, 132(2), 111 (2026). https://doi.org/10.1007/s00339-025-09179-2
A. I. Japakov, M. E. Vapaev, R. M. Bedilov, Z. T. Azamatov, and I. Y. Davletov, ”Spectra of Multiply Charged Ions in Laser Plasma Formed from Gas-Containing Targets,” East European Journal of Physics, (3), 490-494 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-55
A. I. Japakov, R. M. Bedilov, J. O. Kamalova, I. Y. Davletov, and A. R. Matnazarov, ”The impact of laser radiation frequency on the formation of the main characteristics of ions in a mono-element laser plasma,” EPJ Web of Conferences, 318, 05002 (2025). https://doi.org/10.1051/epjconf/202531805002
M. E. Vapaev, F. M. Tojinazarov, B. R. Sobirov, S. R. Kamalov, I. Y. Davletov, and G. S. Boltaev, ”Laser fluence-dependent LIPSS formed on the surface of niobium alloys,” EPJ Web of Conferences, 318, 05005 (2025). https://doi.org/10.1051/epjconf/202531805005
M. Akhmedov, J. Sadullayev, M. Vapayev, A. Matnazarov, I. Davletov, and J. Rayimbaev, ”Picosecond-pulsed laser ablation of aluminum foils: crater morphology and plasma parameters,” Engineering Research Express, 7(3), 035362 (2025). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ae0092
M. Akhmedov, J. Sadullayev, M. Vapayev, F. Tojinazarov, I. Davletov, and J. Rayimbaev, ”Effects of picosecond pulsed laser radiation on crater formation on copper foil surfaces,” Engineering Research Express, 8, 035401 (2026). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ae3b9d
Z. Ruziev, U. Sapaev, H. Eshkuvatov, R. Karimov, I. Egamberdiev, M. Musurmonov, and R. Turniyazov, ”Surface ionization of diamond by femtosecond laser pulses: A comparative study of analytical models,” Results in Optics, 23, 100942 (2026). https://doi.org/10.1016/j.rio.2025.100942
F.F. Franco, M.H. Malik, L. Manjakkal, A. Roshanghias, C.J. Smith, C. Gauchotte-Lindsay, “Optimizing Carbon Structures in Laser-Induced Graphene Electrodes Using Design of Experiments for Enhanced Electrochemical Sensing Characteristics,” ACS Appl. Mater. Interfaces, 16(47), 65489–65502 (2024). https://doi.org/10.1021/acsami.4c13124
COMSOL AB, “Modeling ultrafast heat transfer with COMSOL Multiphysics,” COMSOL Blog, 2026. https://www.comsol.com/blogs/modeling-ultrafast-heat-transfer-with-comsolmph
J. Fernandes, and M.-J. Kim, “Probing ultrafast heat transfer mechanisms in plasmonic gold nanostructures: FEM analysis of core–shell configurations under femtosecond laser irradiation,” Phys. Chem. Chem. Phys. (23), (2025). https://doi.org/10.1039/D5CP00715A
COMSOL AB, “Ultrafast heat transfer due to femtosecond laser heating,” COMSOL Application Gallery, 2025. https://www.comsol.com/model/ultrafast-heat-transfer-due-to-femtosecond-laser-heating-142421
J. S. Abdullayev, L. Abdullayeva, L. Agamalieva, and R. Ismailova, ”Correlating Ni microstructure with Schottky barrier homogeneity in monolayer MoS2 field-effect transistors,” Advanced Physical Research, 7(3), 350–357 (2025). https://doi.org/10.62476/apr.73350
J. S. Abdullayev, and I. B. Sapaev, (2025). Analytic analysis of the features of GaAs/Si radial heterojunctions: Influence of temperature and concentration. East European Journal of Physics, (1), 204–210. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-21
J. S. Abdullayev, I. B. Sapaev, N. Esanmuradova, S. Kadirov, and Sh.M. Kuliyev, ”Mathematical analysis of the features of radial p-n junction: Influence of temperature and concentration,” East European Journal of Physics, (2), 220–225 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-2-24
A. Mustafoqulov, R. Baratov, Z. Radjapov, S. Kadirov, and B. Urinov, ”Angular displacement measurement and control sensors of agricultural robot-manipulators,” in: IV International Conference on Agricultural Engineering and Green Infrastructure for Sustainable Development (AEGISD-IV 2024), 105, 03003 (2024). https://doi.org/10.1051/bioconf/202410503003
A. Y. Boboev, N. Y. Yunusaliyev, G. G. Tojiboyev, O. S. Muminov, and S. R. Kadirov, ”SRIM simulation of irradiation damage by protons in ZnO: S compound,” Journal of Ovonic Research, 21(6), 781-788 (2025). https://doi.org/10.15251/JOR.2025.216.781
A. Y. Boboev, U. Karimberdiev, S. Kadirov, and N. Y. Yunusaliyev, ”Growth of Solid Solutions (Ge2)(GaAs1-γ Biδ)x(ZnSe)y on Silicon Substrates by Liquid Phase Epitaxy,” Chalcogenide Letters, 22(11), 951-957 (2025). https://doi.org/10.15251/CL.2025.2211.951
A. T. Mamadalimov, M. S. Isaev, S. R. Kodirov, T. U. Atamirzaev, M. N. Mamatkulov, A. UT, ”Comparative Analysis of the Properties of Manganese Silicide,” J. Nano- Electron. Phys. 17(5), 05011 (2025). https://doi.org/10.21272/jnep.17(5).05011
S. R. U. Qodirov, and I. Y. Davletov, ”Improving thinking and imagining skills in school students by training the physics using simulations,” AIP Conference Proceedings, 3268(1), 060006 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0257234
I. Davletov, N. Khakimov, A. Qodirov, M. Akhmedov, J. Sadullayev, and O. Khamraev, ”Soft start of induction electric motors using rezistor and denistor devices,” E3SWeb of Conferences, 461, 01066 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202346101066
I. Y. Davletov, N. Z. Khakimov, A. K. Qodirov, M. M. Akhmedov, J. O. Sadullayev, O. O. Khamraev, ”Increasing the Efficiency of Asynchronous Motors by Improving the Quality of the Electric Current,” in: 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), (2023), pp. 1820-1824). https://doi.org/10.1109/APEIE59731.2023.10347842
R.D. Crapnell, E. Bernalte, R. A. A. Mu˜noz, and C. E. Banks, “Electroanalytical overview: the use of laser-induced graphene sensors,” Anal. Methods, 17, 635-651 (2025). https://doi.org/10.1039/d4ay01793e
C.H. Kim, J.H. Kim, S.Y. Jeong, and B.S. Shine, ”Atomistic and data-driven modeling of laser-induced graphene formation on sustainable polymer substrates,” Sci. Rep. 15, 31627 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-15945-2
S.V. Pavlov, ”Defect Engineering in Laser-Induced Graphene (LIG) Through Temperature Control: A Reactive Molecular Dynamics Study,” Molecules, 30, 4344 (2025). https://doi.org/10.3390/molecules30224344
J.O. Sadullayev, M.M. Akhmedov1, M.E. Vapayev, I.Y. Davletov, and G.S. Boltaev, ”Modeling of Thermal Effects in a Polyimide Target Under Pulsed Laser Irradiation,” East European Journal of Physics, (1), 274–280 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-31
Авторське право (c) 2026 Дж.О. Садуллаєв, М.М. Ахмедов, М.Є. Вапаєв, А.Е. Раджабов, I.Й. Давлетов, Г.С. Болтаєв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
