Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Vienlaicīgi parāda trīs slaidu karuseli.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Tiešie lāzera traucējumi (DLIP) apvienojumā ar lāzera izraisītu periodisko virsmas struktūru (LIPSS) ļauj izveidot funkcionālas virsmas dažādiem materiāliem.Procesa caurlaidspēja parasti tiek palielināta, izmantojot lielāku vidējo lāzera jaudu.Tomēr tas noved pie siltuma uzkrāšanās, kas ietekmē iegūtā virsmas raksta nelīdzenumu un formu.Tāpēc ir nepieciešams detalizēti izpētīt substrāta temperatūras ietekmi uz izgatavoto elementu morfoloģiju.Šajā pētījumā tērauda virsma tika rakstīta ar ps-DLIP pie 532 nm.Lai izpētītu substrāta temperatūras ietekmi uz iegūto topogrāfiju, temperatūras kontrolei tika izmantota sildīšanas plāksne.Sildīšana līdz 250 \(^{\circ }\)С izraisīja ievērojamu izveidoto konstrukciju dziļuma samazināšanos no 2,33 līdz 1,06 µm.Samazinājums bija saistīts ar dažādu LIPSS veidu parādīšanos atkarībā no substrāta graudu orientācijas un lāzera izraisītās virsmas oksidācijas.Šis pētījums parāda substrāta temperatūras spēcīgo ietekmi, kas ir sagaidāma arī tad, ja virsmas apstrāde tiek veikta ar lielu vidējo lāzera jaudu, lai radītu siltuma uzkrāšanas efektus.
Virsmas apstrādes metodes, kuru pamatā ir ultraīsa impulsa lāzera apstarošana, ir zinātnes un rūpniecības priekšgalā, jo tās spēj uzlabot svarīgāko būtisko materiālu virsmas īpašības1.Jo īpaši lāzera radītā pielāgotās virsmas funkcionalitāte ir vismodernākā dažādās rūpniecības nozarēs un lietojuma scenārijos1,2,3.Piemēram, Vercillo et al.Ir pierādītas pretapledojuma īpašības titāna sakausējumiem kosmosa lietojumos, pamatojoties uz lāzera izraisītu superhidrofobitāti.Epperlein et al ziņoja, ka nanoizmēra pazīmes, kas iegūtas ar lāzera virsmas strukturēšanu, var ietekmēt bioplēves augšanu vai kavēšanu uz tērauda paraugiem5.Turklāt Guai et al.uzlaboja arī organisko saules bateriju optiskās īpašības.6 Tādējādi lāzera strukturēšana ļauj ražot augstas izšķirtspējas konstrukcijas elementus, kontrolējot virsmas materiāla ablāciju1.
Piemērota lāzera strukturēšanas tehnika šādu periodisku virsmas struktūru veidošanai ir tiešā lāzera traucējumu veidošana (DLIP).DLIP pamatā ir divu vai vairāku lāzera staru saskarsme ar gandrīz virsmu, lai veidotu rakstainas virsmas ar raksturlielumiem mikrometru un nanometru diapazonā.Atkarībā no lāzera staru skaita un polarizācijas, DLIP var projektēt un izveidot visdažādākās topogrāfiskās virsmas struktūras.Daudzsološa pieeja ir apvienot DLIP struktūras ar lāzera izraisītām periodiskām virsmas struktūrām (LIPSS), lai izveidotu virsmas topogrāfiju ar sarežģītu strukturālu hierarhiju 8, 9, 10, 11, 12.Ir pierādīts, ka dabā šīs hierarhijas nodrošina pat labāku veiktspēju nekā viena mēroga modeļi13.
LIPSS funkcija ir pakļauta pašpastiprināšanas procesam (pozitīva atgriezeniskā saite), kas balstās uz pieaugošu starojuma intensitātes sadalījuma modulāciju tuvu virsmai.Tas ir saistīts ar nanoraupjuma palielināšanos, jo pielietoto lāzera impulsu skaits palielinās par 14, 15, 16. Modulācija notiek galvenokārt tāpēc, ka izstarotā viļņa iejaukšanās elektromagnētiskajā laukā15,17,18,19,20,21 refrakcijas un izkliedētu viļņu komponenti vai virsmas plazmoni.LIPSS veidošanos ietekmē arī impulsu laiks22,23.Jo īpaši lielāka vidējā lāzera jauda ir nepieciešama augstas produktivitātes virsmas apstrādei.Tas parasti prasa lielu atkārtošanās ātrumu, ti, MHz diapazonā.Līdz ar to laika attālums starp lāzera impulsiem ir mazāks, kas izraisa siltuma uzkrāšanas efektus 23, 24, 25, 26. Šis efekts izraisa kopējo virsmas temperatūras paaugstināšanos, kas var būtiski ietekmēt modelēšanas mehānismu lāzera ablācijas laikā.
Iepriekšējā darbā Rudenko et al.un Tzibidis et al.Tiek apspriests konvektīvo struktūru veidošanās mehānisms, kam vajadzētu kļūt arvien svarīgākam, palielinoties siltuma uzkrāšanai19,27.Turklāt Bauers et al.Saistīt kritisko siltuma uzkrāšanas daudzumu ar mikronu virsmas struktūrām.Neskatoties uz šo termiski inducēto struktūras veidošanās procesu, parasti tiek uzskatīts, ka procesa produktivitāti var uzlabot, vienkārši palielinot atkārtošanās biežumu28.Lai gan to, savukārt, nevar panākt bez ievērojama siltuma uzglabāšanas palielinājuma.Tāpēc procesa stratēģijas, kas nodrošina daudzlīmeņu topoloģiju, var nebūt pārnēsājamas ar lielāku atkārtošanās ātrumu, nemainot procesa kinētiku un struktūras veidošanos9, 12.Šajā sakarā ir ļoti svarīgi izpētīt, kā substrāta temperatūra ietekmē DLIP veidošanās procesu, it īpaši, veidojot slāņveida virsmas modeļus, jo vienlaikus veidojas LIPSS.
Šī pētījuma mērķis bija novērtēt substrāta temperatūras ietekmi uz iegūto virsmas topogrāfiju nerūsējošā tērauda DLIP apstrādes laikā, izmantojot ps impulsus.Lāzera apstrādes laikā parauga substrāta temperatūra tika paaugstināta līdz 250 \(^\circ\) C, izmantojot sildīšanas plāksni.Iegūtās virsmas struktūras tika raksturotas, izmantojot konfokālo mikroskopiju, skenējošo elektronu mikroskopiju un enerģiju izkliedējošo rentgenstaru spektroskopiju.
Pirmajā eksperimentu sērijā tērauda substrāts tika apstrādāts, izmantojot divu staru DLIP konfigurāciju ar telpisko periodu 4,5 µm un substrāta temperatūru \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, turpmāk saukta par “neapsildāmu” virsmu.Šajā gadījumā impulsu pārklāšanās \(o_{\mathrm {p}}\) ir attālums starp diviem impulsiem kā punkta izmēra funkcija.Tas svārstās no 99,0% (100 impulsi katrā pozīcijā) līdz 99,67% (300 impulsi vienā pozīcijā).Visos gadījumos tika izmantots maksimālais enerģijas blīvums \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (Gausa ekvivalentam bez traucējumiem) un atkārtošanās frekvence f = 200 kHz.Lāzera stara polarizācijas virziens ir paralēls pozicionēšanas tabulas kustībai (1.a att.)), kas ir paralēls lineārās ģeometrijas virzienam, ko rada divu staru traucējumu modelis.Iegūto struktūru reprezentatīvie attēli, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopu (SEM), ir parādīti 1.1.a–c.Lai atbalstītu SEM attēlu analīzi topogrāfijas ziņā, novērtējamajām konstrukcijām tika veiktas Furjē transformācijas (FFT, parādītas tumšos ielaidumos).Visos gadījumos iegūtā DLIP ģeometrija bija redzama ar telpisko periodu 4, 5 µm.
Gadījumā \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% att. att. tumšākajā apgabalā.1a, kas atbilst traucējumu maksimuma pozīcijai, var novērot rievas, kas satur mazākas paralēlas struktūras.Tās mijas ar spilgtākām joslām, kas pārklātas ar nanodaļiņām līdzīgu topogrāfiju.Tā kā paralēlā struktūra starp rievām šķiet perpendikulāra lāzera stara polarizācijai un tās periods ir \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, nedaudz mazāku par lāzera viļņa garumu \(\lambda\) (532 nm) var saukt par LIPSS ar zemu telpisko frekvenci (LSFL-I)15,18.LSFL-I rada tā saukto s-tipa signālu FFT, “s” izkliedi15,20.Tāpēc signāls ir perpendikulārs spēcīgajam centrālajam vertikālajam elementam, ko savukārt ģenerē DLIP struktūra (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).Signāls, ko ģenerē DLIP modeļa lineārā struktūra FFT attēlā, tiek saukts par “DLIP tipa”.
Virsmas struktūru SEM attēli, kas izveidoti, izmantojot DLIP.Maksimālais enerģijas blīvums ir \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (bez trokšņa Gausa ekvivalentam) un atkārtošanās biežums f = 200 kHz.Attēli parāda parauga temperatūru, polarizāciju un pārklājumu.Lokalizācijas fāzes kustība ir atzīmēta ar melnu bultiņu (a).Melnais ielaidums parāda atbilstošo FFT, kas iegūts no 37,25\(\times\)37,25 µm SEM attēla (tiek rādīts, līdz viļņu vektors kļūst par \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 nm).Procesa parametri ir norādīti katrā attēlā.
Aplūkojot tālāk 1. attēlu, jūs varat redzēt, ka, palielinoties \(o_{\mathrm {p}}\) pārklāšanai, sigmoīdais signāls ir vairāk koncentrēts uz FFT x asi.Pārējā LSFL-I daļa mēdz būt vairāk paralēla.Turklāt s-tipa signāla relatīvā intensitāte samazinājās un DLIP tipa signāla intensitāte palielinājās.Tas ir saistīts ar arvien izteiktākām tranšejām ar lielāku pārklāšanos.Turklāt x-ass signālam starp s tipu un centru ir jānāk no struktūras ar tādu pašu orientāciju kā LSFL-I, bet ar garāku periodu (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1,4 ± 0,2 µm), kā parādīts 1.c attēlā).Tāpēc tiek pieņemts, ka to veidošanās ir bedru raksts tranšejas centrā.Jaunā iezīme parādās arī ordinātu augstfrekvences diapazonā (liels viļņu skaits).Signāls nāk no paralēliem viļņiem tranšejas nogāzēs, visticamāk, nogāzēs krītošas un uz priekšu atstarotās gaismas traucējumu dēļ9,14.Turpmāk šie viļņi ir apzīmēti ar LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \), un to signāli – ar tipu -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Nākamajā eksperimentā parauga temperatūra tika paaugstināta līdz 250 °C zem tā sauktās “apsildāmās” virsmas.Strukturēšana tika veikta saskaņā ar to pašu apstrādes stratēģiju kā iepriekšējā sadaļā minētie eksperimenti (1.a–1.c att.).SEM attēli attēlo iegūto topogrāfiju, kā parādīts 1.d–f attēlā.Parauga karsēšana līdz 250 C palielina LSFL izskatu, kura virziens ir paralēls lāzera polarizācijai.Šīs struktūras var raksturot kā LSFL-II, un to telpiskais periods \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) ir 247 ± 35 nm.LSFL-II signāls netiek rādīts FFT augstā režīma frekvences dēļ.Palielinoties \(o_{\mathrm {p}}\) no 99,0 līdz 99,67\(\%\) (1.d–e att.), spilgtās joslas apgabala platums palielinājās, kā rezultātā parādījās DLIP signāls. vairāk nekā augstām frekvencēm.viļņu skaitļi (zemākas frekvences) un tādējādi novirzās uz FFT centru.Bedru rindas 1.d attēlā var būt tā saukto rievu priekšteči, kas izveidoti perpendikulāri LSFL-I22,27.Turklāt šķiet, ka LSFL-II ir kļuvis īsāks un neregulāras formas.Ņemiet vērā arī to, ka spilgto joslu ar nanograudu morfoloģiju vidējais izmērs šajā gadījumā ir mazāks.Turklāt šo nanodaļiņu sadalījums pēc izmēra izrādījās mazāk izkliedēts (vai izraisīja mazāku daļiņu aglomerāciju) nekā bez karsēšanas.Kvalitatīvi to var novērtēt, salīdzinot attiecīgi 1.a, d vai b, e attēlus.
Pārklāšanās \(o_{\mathrm {p}}\) vēl vairāk palielinājās līdz 99,67% (1. f attēls), arvien skaidrāku vagu dēļ pakāpeniski parādījās atšķirīga topogrāfija.Tomēr šīs rievas šķiet mazāk sakārtotas un mazāk dziļas nekā 1.c attēlā.Zems kontrasts starp gaišajiem un tumšajiem attēla apgabaliem tiek rādīts kvalitātē.Šos rezultātus vēl vairāk apstiprina vājāks un izkliedētāks FFT ordinātu signāls 1.f attēlā, salīdzinot ar FFT uz c.Mazākas strijas bija redzamas arī karsējot, salīdzinot 1.b un e attēlu, ko vēlāk apstiprināja konfokālā mikroskopija.
Papildus iepriekšējam eksperimentam lāzera stara polarizācija tika pagriezta par 90 \(^{\circ}\), kas izraisīja polarizācijas virziena pārvietošanos perpendikulāri pozicionēšanas platformai.Uz att.2a-c parāda struktūras veidošanās agrīnās stadijas, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% neapsildāmā (a), apsildāmā (b) un apsildāmā 90\(^{\ circ }\ ) - gadījums ar rotējošu polarizāciju (c).Lai vizualizētu konstrukciju nanotopogrāfiju, ar krāsainiem kvadrātiem apzīmētās zonas ir parādītas 1.-3.2d, palielinātā mērogā.
Virsmas struktūru SEM attēli, kas izveidoti, izmantojot DLIP.Procesa parametri ir tādi paši kā 1. attēlā.Attēlā redzama parauga temperatūra \(T_s\), polarizācija un impulsa pārklāšanās \(o_\mathrm {p}\).Melnais ielaidums atkal parāda atbilstošo Furjē transformāciju.Attēli (d)–i) ir (a)–c) atzīmēto apgabalu palielinājumi.
Šajā gadījumā var redzēt, ka struktūras 2.b,c attēla tumšākajos apgabalos ir jutīgas pret polarizāciju un tāpēc ir apzīmētas ar LSFL-II14, 20, 29, 30. Konkrēti, tiek pagriezta arī LSFL-I orientācija ( 2g, i), ko var redzēt no s-tipa signāla orientācijas attiecīgajā FFT.LSFL-I perioda joslas platums šķiet lielāks, salīdzinot ar periodu b, un tā diapazons ir novirzīts uz mazākiem periodiem 2.c attēlā, par ko liecina plašāk izplatītais s-tipa signāls.Tādējādi paraugā pie dažādām sildīšanas temperatūrām var novērot šādu LSFL telpisko periodu: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm pie 21 ^{ \circ }\ )C (2.a att.), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm un \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm pie 250°C (2.b att.) s polarizācijai.Gluži pretēji, p-polarizācijas un 250 \(^{\circ }\)C telpiskais periods ir vienāds ar \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm un \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (2.c att.).
Proti, rezultāti liecina, ka, tikai palielinot parauga temperatūru, virsmas morfoloģija var pārslēgties starp divām galējībām, ieskaitot (i) virsmu, kurā ir tikai LSFL-I elementi, un (ii) zonu, kas pārklāta ar LSFL-II.Tā kā šī konkrētā veida LIPSS veidošanās uz metāla virsmām ir saistīta ar virsmas oksīda slāņiem, tika veikta enerģijas izkliedējošā rentgena analīze (EDX).1. tabulā apkopoti iegūtie rezultāti.Katru noteikšanu veic, vidēji aprēķinot vismaz četrus spektrus dažādās apstrādātā parauga virsmas vietās.Mērījumus veic dažādās parauga temperatūrās \(T_\mathrm{s}\) un dažādās parauga virsmas pozīcijās, kurās ir nestrukturētas vai strukturētas zonas.Mērījumi satur arī informāciju par dziļākiem neoksidētiem slāņiem, kas atrodas tieši zem apstrādātās izkausētās zonas, bet EDX analīzes elektronu iespiešanās dziļumā.Tomēr jāatzīmē, ka EDX ir ierobežota spēja kvantitatīvi noteikt skābekļa saturu, tāpēc šīs vērtības šeit var sniegt tikai kvalitatīvu novērtējumu.
Neapstrādātajās paraugu daļās nevienā darba temperatūrā netika konstatēts ievērojams skābekļa daudzums.Pēc lāzerterapijas visos gadījumos palielinājās skābekļa līmenis31.Elementu sastāva atšķirība starp diviem neapstrādātiem paraugiem bija tāda, kā paredzēts komerciālajiem tērauda paraugiem, un tika konstatētas ievērojami augstākas oglekļa vērtības, salīdzinot ar ražotāja datu lapu AISI 304 tēraudam ogļūdeņraža piesārņojuma dēļ32.
Pirms apspriest iespējamos iemeslus rievu ablācijas dziļuma samazinājumam un pārejai no LSFL-I uz LSFL-II, tiek izmantoti jaudas spektrālā blīvuma (PSD) un augstuma profili.
(i) Virsmas kvazidimensiju normalizētās jaudas spektrālais blīvums (Q2D-PSD) ir parādīts kā SEM attēli 1. un 2. attēlā. 1. un 2. Tā kā PSD ir normalizēts, summas signāla samazinājumam vajadzētu būt saprotams kā konstantās daļas (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\) palielinājums, nav parādīts), ti, gludums.ii) atbilstošs vidējā virsmas augstuma profils.Parauga temperatūra \(T_s\), pārklāšanās \(o_{\mathrm {p}}\) un lāzera polarizācija E attiecībā pret pozicionēšanas platformas kustības orientāciju \(\vec {v}\) ir parādīta visos diagrammos.
Lai kvantitatīvi noteiktu SEM attēlu iespaidu, vidējais normalizētās jaudas spektrs tika ģenerēts no vismaz trim SEM attēliem katram parametru kopumam, vidēji aprēķinot visus viendimensijas (1D) jaudas spektrālos blīvumus (PSD) x vai y virzienā.Atbilstošais grafiks ir parādīts 3.i attēlā, kas parāda signāla frekvences nobīdi un tā relatīvo ieguldījumu spektrā.
Uz att.3ia, c, e, DLIP maksimums aug tuvu \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ ( ^{- 1}\) vai atbilstošās augstākās harmonikas, kad pārklāšanās palielinās \(o_{\mathrm {p))\).Fundamentālās amplitūdas palielināšanās bija saistīta ar spēcīgāku LRIB struktūras attīstību.Augstāko harmoniku amplitūda palielinās līdz ar slīpuma stāvumu.Taisnstūra funkcijām kā ierobežojošiem gadījumiem tuvināšanai nepieciešams lielākais frekvenču skaits.Tāpēc maksimumu ap 1,4 µm\(^{-1}\) PSD un atbilstošās harmonikas var izmantot kā rievas formas kvalitātes parametrus.
Gluži pretēji, kā parādīts 3(i)b,d,f attēlā, uzkarsētā parauga PSD parāda vājākas un plašākas virsotnes ar mazāku signālu attiecīgajās harmonikās.Turklāt attēlā.3 (i) f parāda, ka otrais harmoniskais signāls pat pārsniedz pamata signālu.Tas atspoguļo neregulārāku un mazāk izteiktu karsētā parauga DLIP struktūru (salīdzinot ar \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Vēl viena iezīme ir tāda, ka, palielinoties pārklājumam \(o_{\mathrm {p}}\), iegūtais LSFL-I signāls pāriet uz mazāku viļņu skaitu (ilgāks periods).To var izskaidrot ar palielinātu DLIP režīma malu stāvumu un ar to saistīto lokālo krišanas leņķa pieaugumu14, 33.Sekojot šai tendencei, varētu izskaidrot arī LSFL-I signāla paplašināšanos.Papildus stāvajām nogāzēm DLIP struktūras apakšā un virs virsotnēm ir arī līdzeni apgabali, kas nodrošina plašāku LSFL-I periodu diapazonu.Ļoti absorbējošiem materiāliem LSFL-I periods parasti tiek lēsts šādi:
kur \(\theta\) ir krišanas leņķis, un apakšindeksi s un p attiecas uz dažādām polarizācijām33.
Jāņem vērā, ka DLIP iestatīšanas biežuma plakne parasti ir perpendikulāra pozicionēšanas platformas kustībai, kā parādīts 4. attēlā (skatiet sadaļu Materiāli un metodes).Tāpēc s-polarizācija, kā likums, ir paralēla skatuves kustībai, un p-polarizācija ir tai perpendikulāra.Saskaņā ar vienādojumu.(1), s-polarizācijai ir paredzama LSFL-I signāla izplatīšanās un nobīde uz mazākiem viļņu numuriem.Tas ir saistīts ar \(\theta\) un leņķa diapazona \(\theta \pm \delta \theta\) palielināšanos, palielinoties tranšejas dziļumam.To var redzēt, salīdzinot LSFL-I pīķus 3a, c, e attēlā.
Saskaņā ar rezultātiem, kas parādīti attēlā.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) ir redzams arī atbilstošajā PSD attēlā.3ie.Uz att.3ig,h parāda p-polarizācijas PSD.DLIP maksimumu atšķirība ir izteiktāka starp karsētiem un neapsildītiem paraugiem.Šajā gadījumā signāls no LSFL-I pārklājas ar DLIP pīķa augstākajām harmonikām, pievienojot signālam tuvu lāzera viļņa garumam.
Lai detalizētāk apspriestu rezultātus, 3.ii attēlā parādīts strukturālais dziļums un pārklāšanās starp DLIP lineārā augstuma sadalījuma impulsiem dažādās temperatūrās.Virsmas vertikālais augstuma profils tika iegūts, vidēji aprēķinot desmit atsevišķus vertikālo augstuma profilus ap DLIP struktūras centru.Katrai pielietotajai temperatūrai struktūras dziļums palielinās, palielinoties impulsa pārklāšanās laikam.Karsētā parauga profilā ir redzamas rievas ar vidējām no maksimuma līdz maksimumam (pvp) vērtībām 0,87 µm s-polarizācijai un 1,06 µm p-polarizācijai.Turpretim neapsildīta parauga s-polarizācija un p-polarizācija uzrāda attiecīgi 1,75 µm un 2,33 µm.Atbilstošais pvp ir attēlots augstuma profilā attēlā.3ii.Katrs PvP vidējais rādītājs tiek aprēķināts, vidēji aprēķinot astoņus atsevišķus PvP.
Turklāt attēlā.3iig,h parāda p-polarizācijas augstuma sadalījumu perpendikulāri pozicionēšanas sistēmai un rievas kustībai.P-polarizācijas virzienam ir pozitīva ietekme uz rievas dziļumu, jo tas rada nedaudz augstāku pvp pie 2,33 µm, salīdzinot ar s-polarizāciju pie 1,75 µm pvp.Tas savukārt atbilst pozicionēšanas platformas sistēmas rievām un kustībai.Šo efektu var izraisīt mazāka struktūra s-polarizācijas gadījumā, salīdzinot ar p-polarizācijas gadījumu (skat. 2.f,h att.), par ko sīkāk tiks runāts nākamajā sadaļā.
Diskusijas mērķis ir izskaidrot rievu dziļuma samazināšanos sakarā ar galvenās LIPS klases (LSFL-I uz LSFL-II) izmaiņām karsētu paraugu gadījumā.Tāpēc atbildiet uz šādiem jautājumiem:
Lai atbildētu uz pirmo jautājumu, ir jāapsver mehānismi, kas ir atbildīgi par ablācijas samazināšanos.Vienam impulsam normālā biežumā ablācijas dziļumu var raksturot šādi:
kur \(\delta _{\mathrm {E}}\) ir enerģijas iespiešanās dziļums, \(\Phi\) un \(\Phi _{\mathrm {th}}\) ir absorbcijas plūsma un ablācijas plūsma slieksnis, attiecīgi34.
Matemātiski enerģijas iespiešanās dziļumam ir multiplikatīva ietekme uz ablācijas dziļumu, savukārt enerģijas izmaiņām ir logaritmisks efekts.Tādējādi plūsmas izmaiņas neietekmē \(\Delta z\) tik ilgi, kamēr \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Tomēr spēcīga oksidēšanās (piemēram, hroma oksīda veidošanās dēļ) rada spēcīgākas Cr-O35 saites, salīdzinot ar Cr-Cr saitēm, tādējādi palielinot ablācijas slieksni.Līdz ar to \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) vairs nav apmierināts, kas izraisa strauju ablācijas dziļuma samazināšanos, samazinoties enerģijas plūsmas blīvumam.Turklāt ir zināma korelācija starp oksidācijas pakāpi un LSFL-II periodu, kas skaidrojama ar izmaiņām pašā nanostruktūrā un virsmas oksidācijas izraisītajām virsmas optiskajām īpašībām30,35.Tāpēc precīzs absorbcijas plūsmas virsmas sadalījums \(\Phi\) ir saistīts ar sarežģīto mijiedarbības dinamiku starp strukturālo periodu un oksīda slāņa biezumu.Atkarībā no perioda nanostruktūra spēcīgi ietekmē absorbētās enerģijas plūsmas sadalījumu sakarā ar strauju lauka pieaugumu, virsmas plazmonu ierosmi, ārkārtas gaismas pārnesi vai izkliedi17,19,20,21.Tāpēc \(\Phi\) ir ļoti nehomogēns virsmas tuvumā, un \(\delta _ {E}\), iespējams, vairs nav iespējams ar vienu absorbcijas koeficientu \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) visam virsmas tilpumam.Tā kā oksīda plēves biezums lielā mērā ir atkarīgs no sacietēšanas laika [26], nomenklatūras efekts ir atkarīgs no parauga temperatūras.Optiskie mikrogrāfi, kas parādīti S1 attēlā papildu materiālā, norāda uz izmaiņām optiskajās īpašībās.
Šie efekti daļēji izskaidro mazāku tranšejas dziļumu nelielu virsmas konstrukciju gadījumā 1.d,e un 2b,c un 3(ii)b,d,f attēlā.
Ir zināms, ka LSFL-II veidojas uz pusvadītājiem, dielektriķiem un materiāliem, kas ir pakļauti oksidācijai14,29,30,36,37.Pēdējā gadījumā īpaši svarīgs ir virsmas oksīda slāņa biezums30.Veiktā EDX analīze atklāja virsmas oksīdu veidošanos uz strukturētās virsmas.Tādējādi neapsildītiem paraugiem apkārtējais skābeklis, šķiet, veicina daļēju gāzveida daļiņu veidošanos un daļēji virsmas oksīdu veidošanos.Abas parādības dod būtisku ieguldījumu šajā procesā.Gluži pretēji, karsētiem paraugiem dažādu oksidācijas pakāpju metālu oksīdi (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO utt.) ir skaidri 38 par labu.Papildus nepieciešamajam oksīda slānim, lai veidotu nepieciešamos apakšviļņu garuma (d-tipa) intensitātes režīmus, ir nepieciešama apakšviļņa garuma raupjuma, galvenokārt augstas telpiskās frekvences LIPSS (HSFL) klātbūtne14,30.Galīgais LSFL-II intensitātes režīms ir atkarīgs no HSFL amplitūdas un oksīda biezuma.Šī režīma iemesls ir HSFL izkliedētās gaismas tālā lauka traucējumi un gaisma, kas lauzta materiālā un izplatās virsmas dielektriskā materiāla iekšpusē20, 29, 30.Virsmas raksta malas SEM attēli S2 attēlā sadaļā Papildu materiāli liecina par jau esošu HSFL.Šo ārējo reģionu vāji ietekmē intensitātes sadalījuma perifērija, kas ļauj veidot HSFL.Pateicoties intensitātes sadalījuma simetrijai, šis efekts notiek arī skenēšanas virzienā.
Parauga karsēšana ietekmē LSFL-II veidošanās procesu vairākos veidos.No vienas puses, parauga temperatūras paaugstināšanai \(T_\mathrm{s}\) ir daudz lielāka ietekme uz sacietēšanas un dzesēšanas ātrumu nekā izkausētā slāņa biezumam26.Tādējādi uzkarsēta parauga šķidruma saskarne ilgāku laiku tiek pakļauta apkārtējā skābekļa iedarbībai.Turklāt aizkavēta sacietēšana ļauj attīstīt sarežģītus konvekcijas procesus, kas palielina skābekļa un oksīdu sajaukšanos ar šķidro tēraudu26.To var pierādīt, salīdzinot tikai difūzijas rezultātā izveidotā oksīda slāņa biezumu (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Atbilstošais koagulācijas laiks ir \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, un difūzijas koeficients \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) LSFL-II veidojumā tika novērots vai nepieciešams ievērojami lielāks biezums30.No otras puses, apkure ietekmē arī HSFL veidošanos un līdz ar to izkliedes objektus, kas nepieciešami, lai pārietu uz LSFL-II d tipa intensitātes režīmu.Zem virsmas iesprostoto nanovoīdu iedarbība liecina par to iesaistīšanos HSFL39 veidošanā.Šie defekti var atspoguļot HSFL elektromagnētisko izcelsmi nepieciešamo augstfrekvences periodisko intensitātes modeļu 14, 17, 19, 29 dēļ.Turklāt šie radītie intensitātes režīmi ir vienveidīgāki ar lielu skaitu nanotukšņu19.Tādējādi HSFL pieauguma cēlonis ir izskaidrojams ar kristāla defektu dinamikas izmaiņām, palielinoties \(T_\mathrm{s}\).
Nesen tika pierādīts, ka silīcija dzesēšanas ātrums ir galvenais parametrs iekšējai intersticiālai pārsātinājumam un tādējādi punktu defektu uzkrāšanai, veidojot dislokācijas 40, 41.Tīru metālu molekulārās dinamikas simulācijas ir parādījušas, ka ātras pārkristalizācijas laikā vakances ir pārsātinātas, un līdz ar to metālu vakanču uzkrāšanās notiek līdzīgā veidā42, 43, 44.Turklāt jaunākie eksperimentālie sudraba pētījumi ir vērsti uz tukšumu un kopu veidošanās mehānismu punktu defektu uzkrāšanās dēļ45.Tāpēc parauga \(T_\mathrm {s}\) temperatūras paaugstināšanās un līdz ar to dzesēšanas ātruma samazināšanās var ietekmēt tukšumu veidošanos, kas ir HSFL kodoli.
Ja vakances ir nepieciešamie dobumu un līdz ar to HSFL priekšteči, parauga temperatūrai \(T_s\) vajadzētu būt diviem efektiem.No vienas puses, \(T_s\) ietekmē pārkristalizācijas ātrumu un līdz ar to arī punktveida defektu koncentrāciju (vakances koncentrāciju) audzētajā kristālā.No otras puses, tas ietekmē arī dzesēšanas ātrumu pēc sacietēšanas, tādējādi ietekmējot punktveida defektu difūziju kristālā 40,41.Turklāt sacietēšanas ātrums ir atkarīgs no kristalogrāfiskās orientācijas un tādējādi ir ļoti anizotropisks, tāpat kā punktu defektu difūzija 42, 43.Saskaņā ar šo priekšnoteikumu materiāla anizotropās reakcijas dēļ gaismas un matērijas mijiedarbība kļūst anizotropiska, kas savukārt pastiprina šo deterministisko periodisko enerģijas izdalīšanos.Polikristāliskiem materiāliem šo uzvedību var ierobežot viena grauda lielums.Faktiski LIPSS veidošanās ir pierādīta atkarībā no graudu orientācijas 46, 47.Tāpēc parauga temperatūras \(T_s\) ietekme uz kristalizācijas ātrumu var nebūt tik spēcīga kā graudu orientācijas ietekme.Tādējādi dažādu graudu atšķirīgā kristalogrāfiskā orientācija sniedz potenciālu skaidrojumu attiecīgi HSFL vai LSFL-II tukšumu un agregācijas palielināšanai.
Lai noskaidrotu šīs hipotēzes sākotnējās norādes, neapstrādātie paraugi tika iegravēti, lai atklātu graudu veidošanos tuvu virsmai.Graudu salīdzinājums att.S3 ir parādīts papildu materiālā.Turklāt karsētos paraugos LSFL-I un LSFL-II parādījās grupās.Šo klasteru izmērs un ģeometrija atbilst graudu izmēram.
Turklāt HSFL rodas tikai šaurā diapazonā pie zema plūsmas blīvuma tās konvektīvās izcelsmes dēļ 19, 29, 48.Tāpēc eksperimentos tas, iespējams, notiek tikai sijas profila perifērijā.Tāpēc HSFL veidojās uz neoksidētām vai vāji oksidētām virsmām, kas kļuva acīmredzams, salīdzinot apstrādāto un neapstrādāto paraugu oksīdu frakcijas (sk. tabulas reftab: piemēru).Tas apstiprina pieņēmumu, ka oksīda slāni galvenokārt inducē lāzers.
Ņemot vērā, ka LIPSS veidošanās parasti ir atkarīga no impulsu skaita starpimpulsu atgriezeniskās saites dēļ, HSFL var aizstāt ar lielākām struktūrām, jo palielinās impulsu pārklāšanās19.Mazāk regulāra HSFL rada mazāk regulāru intensitātes modeli (d-režīms), kas nepieciešams LSFL-II veidošanai.Tāpēc, palielinoties \(o_\mathrm {p}\) pārklāšanās (skat. 1. att. no de), LSFL-II regularitāte samazinās.
Šajā pētījumā tika pētīta substrāta temperatūras ietekme uz lāzera strukturētā DLIP apstrādāta nerūsējošā tērauda virsmas morfoloģiju.Ir konstatēts, ka substrāta karsēšana no 21 līdz 250°C noved pie ablācijas dziļuma samazināšanās no 1,75 līdz 0,87 µm s-polarizācijā un no 2,33 līdz 1,06 µm p-polarizācijā.Šis samazinājums ir saistīts ar LIPSS tipa maiņu no LSFL-I uz LSFL-II, kas ir saistīta ar lāzera izraisītu virsmas oksīda slāni augstākā parauga temperatūrā.Turklāt LSFL-II var palielināt sliekšņa plūsmu paaugstinātas oksidācijas dēļ.Tiek pieņemts, ka šajā tehnoloģiskajā sistēmā ar lielu impulsu pārklāšanos, vidējo enerģijas blīvumu un vidējo atkārtošanās ātrumu LSFL-II rašanos nosaka arī parauga sildīšanas izraisītās dislokācijas dinamikas izmaiņas.Tiek pieņemts, ka LSFL-II agregācija ir saistīta ar graudu orientācijas atkarīgu nanotukšņu veidošanos, kas noved pie HSFL kā LSFL-II priekšteča.Papildus tiek pētīta polarizācijas virziena ietekme uz strukturālo periodu un strukturālā perioda joslas platumu.Izrādās, ka p-polarizācija ir efektīvāka DLIP procesam ablācijas dziļuma ziņā.Kopumā šis pētījums atklāj procesa parametru kopumu, lai kontrolētu un optimizētu DLIP ablācijas dziļumu, lai izveidotu pielāgotus virsmas modeļus.Visbeidzot, pāreja no LSFL-I uz LSFL-II ir pilnībā siltuma vadīta, un ir sagaidāms neliels atkārtošanās ātruma pieaugums ar pastāvīgu impulsu pārklāšanos palielinātas siltuma uzkrāšanās dēļ24.Visi šie aspekti ir saistīti ar gaidāmo izaicinājumu paplašināt DLIP procesu, piemēram, izmantojot daudzstūru skenēšanas sistēmas49.Lai samazinātu siltuma uzkrāšanos, var ievērot šādu stratēģiju: saglabāt daudzstūru skenera skenēšanas ātrumu pēc iespējas augstāku, izmantojot lielāku lāzera vietas izmēru, ortogonālu skenēšanas virzienam un izmantojot optimālu ablāciju.fluence 28. Turklāt šīs idejas ļauj izveidot sarežģītu hierarhisku topogrāfiju progresīvai virsmas funkcionalizācijai, izmantojot DLIP.
Šajā pētījumā tika izmantotas 0,8 mm biezas elektropulētas nerūsējošā tērauda plāksnes (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304).Lai noņemtu jebkādus piesārņotājus no virsmas, paraugus pirms lāzera apstrādes rūpīgi nomazgāja ar etanolu (etanola absolūtā koncentrācija \(\ge\) 99,9%).
DLIP iestatījums ir parādīts 4. attēlā. Paraugi tika konstruēti, izmantojot DLIP sistēmu, kas aprīkota ar 12 ps ultraīsu impulsu lāzera avotu ar viļņa garumu 532 nm un maksimālo atkārtošanās ātrumu 50 MHz.Stara enerģijas telpiskais sadalījums ir Gausa.Īpaši izstrādāta optika nodrošina divu staru interferometrisko konfigurāciju, lai paraugā izveidotu lineāras struktūras.Objektīvs ar 100 mm fokusa attālumu uz virsmas uzliek divus papildu lāzera starus fiksētā 6,8\(^\circ\) leņķī, kas nodrošina aptuveni 4,5 µm telpisko periodu.Plašāku informāciju par eksperimentālo iestatījumu var atrast citur50.
Pirms lāzera apstrādes paraugu novieto uz sildīšanas plāksnes noteiktā temperatūrā.Sildīšanas plāksnes temperatūra tika iestatīta uz 21 un 250 ° C.Visos eksperimentos tika izmantota šķērsvirziena saspiesta gaisa strūkla kopā ar izplūdes ierīci, lai novērstu putekļu nogulsnēšanos uz optikas.Parauga pozicionēšanai strukturēšanas laikā ir iestatīta x,y posmu sistēma.
Pozicionēšanas posma sistēmas ātrums tika mainīts no 66 līdz 200 mm/s, lai iegūtu impulsu pārklāšanos attiecīgi no 99,0 līdz 99,67 \(\%\).Visos gadījumos atkārtošanās ātrums tika fiksēts 200 kHz, un vidējā jauda bija 4 W, kas deva enerģiju uz vienu impulsu 20 μJ.DLIP eksperimentā izmantotais stara diametrs ir aptuveni 100 µm, un iegūtais maksimālais lāzera enerģijas blīvums ir 0,5 J/cm\(^{2}\).Kopējā atbrīvotā enerģija uz laukuma vienību ir maksimālā kumulatīvā plūsma, kas atbilst 50 J/cm\(^2\), ja \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) un 150 J/cm\(^2\) \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Izmantojiet \(\lambda\)/2 plāksni, lai mainītu lāzera stara polarizāciju.Katrai izmantoto parametru kopai paraugā ir teksturēts laukums aptuveni 35 × 5 mm\(^{2}\).Visi strukturētie eksperimenti tika veikti apkārtējās vides apstākļos, lai nodrošinātu rūpniecisko pielietojamību.
Paraugu morfoloģija tika pārbaudīta, izmantojot konfokālo mikroskopu ar 50x palielinājumu un optisko un vertikālo izšķirtspēju attiecīgi 170 nm un 3 nm.Pēc tam savāktie topogrāfiskie dati tika novērtēti, izmantojot virsmas analīzes programmatūru.Izņemiet profilus no reljefa datiem saskaņā ar ISO 1661051.
Paraugi tika arī raksturoti, izmantojot skenējošu elektronu mikroskopu ar paātrinājuma spriegumu 6, 0 kV.Paraugu virsmas ķīmiskais sastāvs tika novērtēts, izmantojot enerģiju izkliedējošās rentgena spektroskopijas (EDS) stiprinājumu pie paātrinājuma sprieguma 15 kV.Turklāt, lai noteiktu paraugu mikrostruktūras granulēto morfoloģiju, tika izmantots optiskais mikroskops ar 50x objektīvu. Pirms tam paraugi tika kodināti nemainīgā 50 \(^\circ\)C temperatūrā piecas minūtes nerūsējošā tērauda traipā ar sālsskābes un slāpekļskābes koncentrāciju 15–20 \(\%\) un 1\( -<\)5 \(\%\). Pirms tam paraugi tika kodināti nemainīgā 50 \(^\circ\)C temperatūrā piecas minūtes nerūsējošā tērauda traipā ar sālsskābes un slāpekļskābes koncentrāciju 15–20 \(\%\) un 1\( -<\)5 \(\%\). Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут в краске ижайй нер азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Pirms tam paraugi tika kodināti nemainīgā 50 \(^\circ\)C temperatūrā piecas minūtes nerūsējošā tērauda krāsā ar sālsskābi un slāpekļskābi ar koncentrāciju 15-20 \(\%\) un 1\( -<\)5 \( \%\) attiecīgi.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C 的恒温蚀刻五分钟，睡咦\亓 5–2 %\) 和1\( -<\)5 \ (\%\)，分别.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C (\%\)，分别.Pirms tam paraugi tika kodināti piecas minūtes nemainīgā 50 \(^\circ\)C temperatūrā nerūsējošā tērauda krāsošanas šķīdumā ar sālsskābes un slāpekļskābes koncentrāciju 15-20 \(\%\) un 1. \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) attiecīgi.
Divu staru DLIP iestatījuma eksperimentālās iestatīšanas shematiska diagramma, kas ietver (1) lāzera staru, (2) \(\lambda\)/2 plāksni, (3) DLIP galvu ar noteiktu optisko konfigurāciju, (4) ) sildvirsma, (5) šķērsšķiedra , (6) x,y pozicionēšanas pakāpieni un (7) nerūsējošā tērauda paraugi.Divi uzlikti stari, kas apvilkti ar sarkanu apli kreisajā pusē, rada paraugā lineāras struktūras \(2\theta\) leņķos (ieskaitot gan s-, gan p-polarizāciju).
Šajā pētījumā izmantotās un/vai analizētās datu kopas ir pieejamas no attiecīgajiem autoriem pēc pamatota pieprasījuma.
Izlikšanas laiks: 07.01.2023