Faleminderit që vizituat Nature.com.Ju jeni duke përdorur një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Shfaq një karusel me tre rrëshqitje njëherësh.Përdorni butonat Previous dhe Next për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë, ose përdorni butonat rrëshqitës në fund për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.
Ndërhyrja direkte me lazer (DLIP) e kombinuar me strukturën periodike të sipërfaqes të induktuar nga lazeri (LIPSS) lejon krijimin e sipërfaqeve funksionale për materiale të ndryshme.Rrjedha e procesit zakonisht rritet duke përdorur një fuqi mesatare lazeri më të lartë.Sidoqoftë, kjo çon në akumulimin e nxehtësisë, e cila ndikon në vrazhdësinë dhe formën e modelit të sipërfaqes që rezulton.Prandaj, është e nevojshme të studiohet në detaje ndikimi i temperaturës së nënshtresës në morfologjinë e elementeve të fabrikuara.Në këtë studim, sipërfaqja e çelikut u modelua në linjë me ps-DLIP në 532 nm.Për të hetuar efektin e temperaturës së substratit në topografinë që rezulton, u përdor një pllakë ngrohëse për të kontrolluar temperaturën.Ngrohja në 250 \(^{\circ }\)С çoi në një ulje të ndjeshme të thellësisë së strukturave të formuara nga 2.33 në 1.06 μm.Ulja u shoqërua me shfaqjen e llojeve të ndryshme të LIPSS në varësi të orientimit të kokrrizave të substratit dhe oksidimit të sipërfaqes të shkaktuar nga lazeri.Ky studim tregon efektin e fortë të temperaturës së nënshtresës, i cili pritet edhe kur trajtimi i sipërfaqes kryhet me fuqi mesatare të lartë lazer për të krijuar efekte të akumulimit të nxehtësisë.
Metodat e trajtimit të sipërfaqes të bazuara në rrezatimin me lazer me puls ultra të shkurtër janë në krye të shkencës dhe industrisë për shkak të aftësisë së tyre për të përmirësuar vetitë e sipërfaqes së materialeve më të rëndësishme përkatëse1.Në veçanti, funksionaliteti i sipërfaqes me porosi të induktuar nga lazeri është i teknologjisë së fundit në një gamë të gjerë sektorësh industrialë dhe skenarë aplikimi1,2,3.Për shembull, Vercillo et al.Vetitë kundër akullit janë demonstruar në lidhjet e titanit për aplikime në hapësirën ajrore bazuar në superhidrofobicitetin e shkaktuar nga lazeri.Epperlein et al raportuan se tiparet me madhësi nanoz të prodhuar nga strukturimi i sipërfaqes me lazer mund të ndikojnë në rritjen ose frenimin e biofilmit në ekzemplarët e çelikut5.Përveç kësaj, Guai et al.gjithashtu përmirësoi vetitë optike të qelizave diellore organike.6 Kështu, strukturimi me lazer lejon prodhimin e elementeve strukturorë me rezolucion të lartë me anë të heqjes së kontrolluar të materialit sipërfaqësor1.
Një teknikë e përshtatshme strukturimi me lazer për prodhimin e strukturave të tilla periodike sipërfaqësore është formimi i ndërhyrjes direkte me lazer (DLIP).DLIP bazohet në ndërhyrjen afër sipërfaqes së dy ose më shumë rrezeve lazer për të formuar sipërfaqe të modeluara me karakteristika në diapazonin e mikrometrit dhe nanometrit.Në varësi të numrit dhe polarizimit të rrezeve lazer, DLIP mund të projektojë dhe krijojë një shumëllojshmëri të gjerë strukturash sipërfaqësore topografike.Një qasje premtuese është kombinimi i strukturave DLIP me strukturat periodike sipërfaqësore të induktuara nga lazeri (LIPSS) për të krijuar një topografi sipërfaqësore me një hierarki strukturore komplekse8,9,10,11,12.Në natyrë, këto hierarki janë treguar se ofrojnë performancë edhe më të mirë se modelet në shkallë të vetme13.
Funksioni LIPSS i nënshtrohet një procesi vetë-përforcues (feedback pozitiv) bazuar në një modulim në rritje pranë sipërfaqes së shpërndarjes së intensitetit të rrezatimit.Kjo është për shkak të rritjes së nanoraftësisë pasi numri i impulseve lazer të aplikuara rritet 14, 15, 16. Modulimi ndodh kryesisht për shkak të ndërhyrjes së valës së emetuar me fushën elektromagnetike15,17,18,19,20,21 të përthyer dhe komponentët e valëve të shpërndara ose plazmonet sipërfaqësore.Në formimin e LIPSS ndikohet edhe nga koha e pulseve22,23.Në veçanti, fuqitë mesatare më të larta të lazerit janë të domosdoshme për trajtimet sipërfaqësore me produktivitet të lartë.Kjo zakonisht kërkon përdorimin e ritmeve të larta të përsëritjes, pra në intervalin MHz.Rrjedhimisht, distanca kohore midis impulseve lazer është më e shkurtër, gjë që çon në efektet e akumulimit të nxehtësisë 23, 24, 25, 26. Ky efekt çon në një rritje të përgjithshme të temperaturës së sipërfaqes, e cila mund të ndikojë ndjeshëm në mekanizmin e modelimit gjatë ablacionit lazer.
Në një punë të mëparshme, Rudenko et al.dhe Tzibidis et al.Diskutohet një mekanizëm për formimin e strukturave konvektive, i cili duhet të bëhet gjithnjë e më i rëndësishëm me rritjen e akumulimit të nxehtësisë19,27.Përveç kësaj, Bauer et al.Lidhni sasinë kritike të akumulimit të nxehtësisë me strukturat e sipërfaqes mikron.Pavarësisht nga ky proces i formimit të strukturës së induktuar termikisht, përgjithësisht besohet se produktiviteti i procesit mund të përmirësohet thjesht duke rritur shkallën e përsëritjes28.Edhe pse kjo, nga ana tjetër, nuk mund të arrihet pa një rritje të konsiderueshme të ruajtjes së nxehtësisë.Prandaj, strategjitë e procesit që ofrojnë një topologji me shumë nivele mund të mos jenë të lëvizshme për ritme më të larta përsëritjeje pa ndryshuar kinetikën e procesit dhe formimin e strukturës9,12.Në këtë drejtim, është shumë e rëndësishme të hulumtohet se si temperatura e nënshtresës ndikon në procesin e formimit të DLIP, veçanërisht kur bëhen modele të sipërfaqes me shtresa për shkak të formimit të njëkohshëm të LIPSS.
Qëllimi i këtij studimi ishte të vlerësonte efektin e temperaturës së substratit në topografinë e sipërfaqes që rezulton gjatë përpunimit DLIP të çelikut inox duke përdorur impulse ps.Gjatë përpunimit me lazer, temperatura e substratit të mostrës u ngrit në 250 \(^\circ\)C duke përdorur një pllakë ngrohëse.Strukturat sipërfaqësore që rezultuan u karakterizuan duke përdorur mikroskopin konfokal, mikroskopin elektronik skanues dhe spektroskopinë me rreze X me shpërndarje energjie.
Në serinë e parë të eksperimenteve, nënshtresa e çelikut u përpunua duke përdorur një konfigurim DLIP me dy rreze me një periudhë hapësinore prej 4,5 μm dhe një temperaturë të nënshtresës \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, në vijim referuar si sipërfaqe "e pa ngrohur".Në këtë rast, mbivendosja e pulsit \(o_{\mathrm {p}}\) është distanca midis dy pulseve në funksion të madhësisë së pikës.Ai varion nga 99.0% (100 impulse për pozicion) në 99.67% (300 impulse për pozicion).Në të gjitha rastet, u përdor një densitet i pikut të energjisë \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (për një ekuivalent Gaussian pa ndërhyrje) dhe një frekuencë përsëritjeje f = 200 kHz.Drejtimi i polarizimit të rrezes lazer është paralel me lëvizjen e tabelës së pozicionimit (Fig. 1a)), e cila është paralele me drejtimin e gjeometrisë lineare të krijuar nga modeli i ndërhyrjes me dy rreze.Imazhet përfaqësuese të strukturave të marra duke përdorur një mikroskop elektronik skanues (SEM) janë paraqitur në Fig.1a–c.Për të mbështetur analizën e imazheve SEM për sa i përket topografisë, transformimet Fourier (FFT, të paraqitura në insets të errëta) u kryen në strukturat që vlerësoheshin.Në të gjitha rastet, gjeometria DLIP rezultuese ishte e dukshme me një periudhë hapësinore prej 4.5 µm.
Për rastin \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% në zonën më të errët të Fig.1a, që korrespondon me pozicionin e maksimumit të ndërhyrjes, mund të vërehen brazda që përmbajnë struktura paralele më të vogla.Ato alternohen me breza më të shndritshëm të mbuluar në një topografi të ngjashme me nanogrimcat.Për shkak se struktura paralele midis brazdave duket të jetë pingul me polarizimin e rrezes lazer dhe ka një periudhë prej \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, pak më pak se gjatësia valore e lazerit \(\lambda\) (532 nm) mund të quhet LIPSS me frekuencë të ulët hapësinore (LSFL-I)15,18.LSFL-I prodhon një të ashtuquajtur sinjal të tipit s në FFT, shpërndarja "s"15,20.Prandaj, sinjali është pingul me elementin e fortë qendror vertikal, i cili nga ana tjetër gjenerohet nga struktura DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\afërsisht\) 4,5 µm).Sinjali i gjeneruar nga struktura lineare e modelit DLIP në imazhin FFT referohet si "lloj DLIP".
Imazhet SEM të strukturave sipërfaqësore të krijuara duke përdorur DLIP.Dendësia maksimale e energjisë është \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (për një ekuivalent Gaussian pa zhurmë) dhe një shpejtësi përsëritjeje f = 200 kHz.Imazhet tregojnë temperaturën e mostrës, polarizimin dhe mbivendosjen.Lëvizja e fazës së lokalizimit shënohet me një shigjetë të zezë në (a).Futja e zezë tregon FFT-në përkatëse të marrë nga imazhi SEM 37,25\(\times\)37,25 μm (treguar derisa vektori i valës të bëhet \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 nm).Parametrat e procesit tregohen në secilën figurë.
Duke parë më tej figurën 1, mund të shihni se ndërsa mbivendosja \(o_{\mathrm {p}}\) rritet, sinjali sigmoid është më i përqendruar drejt boshtit x të FFT.Pjesa tjetër e LSFL-I priret të jetë më paralele.Përveç kësaj, intensiteti relativ i sinjalit të tipit s u ul dhe intensiteti i sinjalit të tipit DLIP u rrit.Kjo për shkak të llogoreve gjithnjë e më të theksuara me më shumë mbivendosje.Gjithashtu, sinjali i boshtit x midis tipit s dhe qendrës duhet të vijë nga një strukturë me të njëjtin orientim si LSFL-I, por me një periudhë më të gjatë (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\përafërsisht \ ) 1.4 ± 0.2 µm) siç tregohet në figurën 1c).Prandaj, supozohet se formimi i tyre është një model gropash në qendër të kanalit.Karakteristika e re shfaqet gjithashtu në diapazonin e frekuencës së lartë (numri valor i madh) i ordinatës.Sinjali vjen nga valëzime paralele në shpatet e kanalit, me shumë mundësi për shkak të ndërhyrjes së incidentit dhe dritës së reflektuar nga përpara në shpatet9,14.Në vijim, këto valëzime shënohen me LSFL \ (_ \ mathrm {buzë} \), dhe sinjalet e tyre - sipas llojit -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Në eksperimentin tjetër, temperatura e kampionit u ngrit në 250 °C nën të ashtuquajturën sipërfaqe "të ngrohur".Strukturimi u krye sipas të njëjtës strategji përpunimi si eksperimentet e përmendura në seksionin e mëparshëm (Fig. 1a-1c).Imazhet SEM përshkruajnë topografinë që rezulton siç tregohet në Fig. 1d–f.Ngrohja e kampionit në 250 C çon në një rritje të shfaqjes së LSFL, drejtimi i të cilit është paralel me polarizimin lazer.Këto struktura mund të karakterizohen si LSFL-II dhe kanë një periudhë hapësinore \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) prej 247 ± 35 nm.Sinjali LSFL-II nuk shfaqet në FFT për shkak të frekuencës së lartë të modalitetit.Ndërsa \(o_{\mathrm {p}}\) u rrit nga 99.0 në 99.67\(\%\) (Fig. 1d–e), gjerësia e zonës së brezit të ndritshëm u rrit, gjë që çoi në shfaqjen e një sinjali DLIP për më shumë se frekuenca të larta.numrat valor (frekuenca më të ulëta) dhe kështu zhvendosen drejt qendrës së FFT.Rreshtat e gropave në Fig. 1d mund të jenë pararendësit e të ashtuquajturave brazda të formuara pingul me LSFL-I22,27.Përveç kësaj, LSFL-II duket se është bërë më i shkurtër dhe me formë të çrregullt.Vini re gjithashtu se madhësia mesatare e brezave të shndritshëm me morfologji nanogruri është më e vogël në këtë rast.Për më tepër, shpërndarja e madhësisë së këtyre nanogrimcave doli të jetë më pak e shpërndarë (ose çoi në grumbullim më të vogël të grimcave) sesa pa ngrohje.Në mënyrë cilësore, kjo mund të vlerësohet duke krahasuar përkatësisht figurat 1a, d ose b, e.
Ndërsa mbivendosja \(o_{\mathrm {p}}\) u rrit më tej në 99,67% (Fig. 1f), gradualisht u shfaq një topografi e veçantë për shkak të brazdave gjithnjë e më të dukshme.Megjithatë, këto kanale duken më pak të renditura dhe më pak të thella se në Fig. 1c.Kontrasti i ulët midis zonave të lehta dhe të errëta të imazhit shfaqet në cilësi.Këto rezultate mbështeten më tej nga sinjali më i dobët dhe më i shpërndarë i ordinatës FFT në Fig. 1f krahasuar me FFT në c.Stria më të vogla ishin gjithashtu të dukshme në ngrohje kur krahasoheshin figurat 1b dhe e, gjë që më vonë u konfirmua nga mikroskopi konfokal.
Përveç eksperimentit të mëparshëm, polarizimi i rrezes lazer u rrotullua me 90 \(^{\circ}\), gjë që bëri që drejtimi i polarizimit të lëvizte pingul me platformën e pozicionimit.Në fig.2a-c tregon fazat e hershme të formimit të strukturës, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% në të panxehur (a), të nxehtë (b) dhe të nxehtë 90 \(^{\ rreth }\ ) – Rasti me polarizim rrotullues (c).Për të vizualizuar nanotopografinë e strukturave, zonat e shënuara me katrorë me ngjyra janë paraqitur në Fig.2d, në një shkallë të zgjeruar.
Imazhet SEM të strukturave sipërfaqësore të krijuara duke përdorur DLIP.Parametrat e procesit janë të njëjtë si në Fig.1.Imazhi tregon temperaturën e mostrës \(T_s\), polarizimin dhe mbivendosjen e pulsit \(o_\mathrm {p}\).Futja e zezë tregon përsëri transformimin përkatës të Furierit.Imazhet në (d)-(i) janë zmadhime të zonave të shënuara në (a)-(c).
Në këtë rast, mund të shihet se strukturat në zonat më të errëta të Fig. 2b,c janë të ndjeshme ndaj polarizimit dhe për këtë arsye janë emërtuar LSFL-II14, 20, 29, 30. Veçanërisht, orientimi i LSFL-I është gjithashtu i rrotulluar ( Fig. 2g, i), i cili mund të shihet nga orientimi i sinjalit të tipit s në FFT-në përkatëse.Gjerësia e brezit të periudhës LSFL-I duket më e madhe në krahasim me periudhën b dhe diapazoni i saj është zhvendosur drejt periudhave më të vogla në Fig. 2c, siç tregohet nga sinjali më i përhapur i tipit s.Kështu, periudha hapësinore e mëposhtme LSFL mund të vërehet në mostër në temperatura të ndryshme ngrohjeje: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm në 21 ^{ \circ }\ )C (Fig. 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm dhe \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm në 250°C (Fig. 2b) për polarizimin s.Përkundrazi, periudha hapësinore e p-polarizimit dhe 250 \(^{\circ }\)C është e barabartë me \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm dhe \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Fig. 2c).
Veçanërisht, rezultatet tregojnë se vetëm duke rritur temperaturën e mostrës, morfologjia e sipërfaqes mund të kalojë midis dy ekstremeve, duke përfshirë (i) një sipërfaqe që përmban vetëm elementë LSFL-I dhe (ii) një zonë të mbuluar me LSFL-II.Për shkak se formimi i këtij lloji të veçantë të LIPSS në sipërfaqet metalike është i lidhur me shtresat e oksideve sipërfaqësore, u krye analiza e shpërndarjes së energjisë me rreze X (EDX).Tabela 1 përmbledh rezultatet e marra.Çdo përcaktim kryhet duke matur mesatarisht të paktën katër spektra në vende të ndryshme në sipërfaqen e kampionit të përpunuar.Matjet kryhen në temperatura të ndryshme të mostrës \(T_\mathrm{s}\) dhe pozicione të ndryshme të sipërfaqes së mostrës që përmban zona të pastrukturuara ose të strukturuara.Matjet përmbajnë gjithashtu informacion në lidhje me shtresat më të thella të paoksiduara që shtrihen drejtpërdrejt nën zonën e shkrirë të trajtuar, por brenda thellësisë së depërtimit të elektroneve të analizës EDX.Sidoqoftë, duhet të theksohet se EDX është i kufizuar në aftësinë e tij për të përcaktuar sasinë e përmbajtjes së oksigjenit, kështu që këto vlera këtu mund të japin vetëm një vlerësim cilësor.
Pjesët e patrajtuara të mostrave nuk treguan sasi të konsiderueshme të oksigjenit në të gjitha temperaturat e punës.Pas trajtimit me lazer, nivelet e oksigjenit u rritën në të gjitha rastet31.Dallimi në përbërjen elementare midis dy mostrave të patrajtuara ishte siç pritej për mostrat komerciale të çelikut dhe u gjetën vlera dukshëm më të larta të karbonit në krahasim me fletën e të dhënave të prodhuesit për çelikun AISI 304 për shkak të kontaminimit me hidrokarbur32.
Përpara se të diskutohen arsyet e mundshme për uljen e thellësisë së ablacionit të brazdës dhe kalimin nga LSFL-I në LSFL-II, përdoren profilet e densitetit spektral të fuqisë (PSD) dhe lartësisë.
(i) Dendësia spektrale e fuqisë e normalizuar kuazi-dy-dimensionale (Q2D-PSD) e sipërfaqes tregohet si imazhe SEM në figurat 1 dhe 2. 1 dhe 2. Meqenëse PSD është normalizuar, një rënie në sinjalin e shumës duhet të jetë kuptohet si një rritje në pjesën konstante (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), e pa treguar), dmth.(ii) Profili përkatës i lartësisë mesatare të sipërfaqes.Temperatura e kampionit \(T_s\), mbivendosja \(o_{\mathrm {p}}\) dhe polarizimi lazer E në lidhje me orientimin \(\vec {v}\) të lëvizjes së platformës së pozicionimit tregohen në të gjitha skicat.
Për të përcaktuar sasinë e përshtypjes së imazheve SEM, u krijua një spektër mesatar i normalizuar i fuqisë nga të paktën tre imazhe SEM për çdo parametër të vendosur duke mesatarizuar të gjitha densitetet spektrale të fuqisë njëdimensionale (1D) në drejtimin x ose y.Grafiku përkatës është paraqitur në Fig. 3i duke treguar zhvendosjen e frekuencës së sinjalit dhe kontributin e tij relativ në spektër.
Në fig.3ia, c, e, maja DLIP rritet afër \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ ( ^{- 1}\) ose harmonikat më të larta përkatëse ndërsa mbivendosja rritet \(o_{\mathrm {p))\).Një rritje në amplitudë themelore u shoqërua me një zhvillim më të fortë të strukturës LRIB.Amplituda e harmonikave më të larta rritet me pjerrësinë e pjerrësisë.Për funksionet drejtkëndore si raste kufizuese, përafrimi kërkon numrin më të madh të frekuencave.Prandaj, kulmi rreth 1.4 µm\(^{-1}\) në PSD dhe harmonikat përkatëse mund të përdoren si parametra të cilësisë për formën e brazdës.
Përkundrazi, siç tregohet në Fig. 3(i)b,d,f, PSD e kampionit të ndezur tregon maja më të dobëta dhe më të gjera me më pak sinjal në harmonikat përkatëse.Përveç kësaj, në fig.3(i)f tregon se sinjali i dytë harmonik madje e kalon sinjalin themelor.Kjo pasqyron strukturën DLIP më të parregullt dhe më pak të theksuar të kampionit të ndezur (krahasuar me \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Një veçori tjetër është se ndërsa mbivendosja \(o_{\mathrm {p}}\) rritet, sinjali LSFL-I që rezulton zhvendoset drejt një numri valor më të vogël (periudhë më e gjatë).Kjo mund të shpjegohet nga pjerrësia e shtuar e skajeve të modalitetit DLIP dhe rritja lokale e lidhur në këndin e rënies14,33.Duke ndjekur këtë prirje, mund të shpjegohet edhe zgjerimi i sinjalit LSFL-I.Përveç shpateve të pjerrëta, ka edhe zona të sheshta në fund dhe sipër kreshtave të strukturës DLIP, duke lejuar një gamë më të gjerë të periudhave LSFL-I.Për materialet shumë absorbuese, periudha LSFL-I zakonisht vlerësohet si:
ku \(\theta\) është këndi i incidencës, dhe nënshkrimet s dhe p u referohen polarizimeve të ndryshme33.
Duhet të theksohet se rrafshi i incidencës për një konfigurim DLIP është zakonisht pingul me lëvizjen e platformës së pozicionimit, siç tregohet në Figurën 4 (shih seksionin Materialet dhe Metodat).Prandaj, s-polarizimi, si rregull, është paralel me lëvizjen e skenës, dhe p-polarizimi është pingul me të.Sipas ekuacionit.(1), për polarizimin s, pritet një përhapje dhe një zhvendosje e sinjalit LSFL-I drejt numrave valor më të vegjël.Kjo është për shkak të rritjes së \(\theta\) dhe diapazonit këndor \(\theta \pm \delta \theta\) ndërsa thellësia e kanalit rritet.Kjo mund të shihet duke krahasuar majat LSFL-I në Fig. 3ia,c,e.
Sipas rezultateve të paraqitura në fig.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) është gjithashtu i dukshëm në PSD-në përkatëse në fig.3dmth.Në fig.3ig,h tregon PSD për p-polarizimin.Dallimi në majat DLIP është më i theksuar midis mostrave të ngrohura dhe të pa ngrohura.Në këtë rast, sinjali nga LSFL-I mbivendoset me harmonikat më të larta të pikut DLIP, duke i shtuar sinjalit afër gjatësisë së valës lasing.
Për të diskutuar më në detaje rezultatet, në Fig. 3ii tregon thellësinë strukturore dhe mbivendosjen ndërmjet impulseve të shpërndarjes lineare të lartësisë DLIP në temperatura të ndryshme.Profili i lartësisë vertikale të sipërfaqes u përftua duke llogaritur mesatarisht dhjetë profile individuale të lartësisë vertikale rreth qendrës së strukturës DLIP.Për çdo temperaturë të aplikuar, thellësia e strukturës rritet me rritjen e mbivendosjes së pulsit.Profili i kampionit të nxehur tregon brazda me vlera mesatare nga maja në majë (pvp) prej 0,87 µm për polarizimin s dhe 1,06 µm për polarizimin p.Në të kundërt, s-polarizimi dhe p-polarizimi i kampionit të pa ngrohur tregojnë pvp prej 1.75 µm dhe 2.33 µm, respektivisht.Pvp përkatëse është paraqitur në profilin e lartësisë në fig.3ii.Çdo mesatare PvP llogaritet duke llogaritur mesatarisht tetë PvP të vetme.
Përveç kësaj, në fig.3iig,h tregon shpërndarjen e lartësisë së p-polarizimit pingul me sistemin e pozicionimit dhe lëvizjen e brazdës.Drejtimi i polarizimit p ka një efekt pozitiv në thellësinë e brazdës pasi rezulton në një pvp pak më të lartë në 2.33 µm krahasuar me polarizimin s në 1.75 µm pvp.Kjo nga ana tjetër korrespondon me brazdat dhe lëvizjen e sistemit të platformës së pozicionimit.Ky efekt mund të shkaktohet nga një strukturë më e vogël në rastin e polarizimit s krahasuar me rastin e p-polarizimit (shih Fig. 2f,h), i cili do të diskutohet më tej në seksionin vijues.
Qëllimi i diskutimit është të shpjegojë uljen e thellësisë së brazdës për shkak të ndryshimit në klasën kryesore LIPS (LSFL-I në LSFL-II) në rastin e mostrave të ngrohura.Pra përgjigjuni pyetjeve të mëposhtme:
Për t'iu përgjigjur pyetjes së parë, është e nevojshme të merren parasysh mekanizmat përgjegjës për reduktimin e ablacionit.Për një puls të vetëm me incidencë normale, thellësia e ablacionit mund të përshkruhet si:
ku \(\delta _{\mathrm {E}}\) është thellësia e depërtimit të energjisë, \(\Phi\) dhe \(\Phi _{\mathrm {th}}\) janë fluenca e përthithjes dhe rrjedha e ablationit pragu, përkatësisht34 .
Matematikisht, thellësia e depërtimit të energjisë ka një efekt shumëzues në thellësinë e ablacionit, ndërsa ndryshimi i energjisë ka një efekt logaritmik.Pra, ndryshimet e rrjedhshmërisë nuk ndikojnë në \(\Delta z\) për aq kohë sa \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Sidoqoftë, oksidimi i fortë (për shembull, për shkak të formimit të oksidit të kromit) çon në lidhje më të forta Cr-O35 në krahasim me lidhjet Cr-Cr, duke rritur kështu pragun e ablacionit.Rrjedhimisht, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) nuk është më i kënaqur, gjë që çon në një ulje të shpejtë të thellësisë së ablacionit me zvogëlimin e densitetit të fluksit të energjisë.Përveç kësaj, është i njohur një korrelacion midis gjendjes së oksidimit dhe periudhës së LSFL-II, e cila mund të shpjegohet me ndryshimet në vetë nanostrukturën dhe vetitë optike të sipërfaqes të shkaktuara nga oksidimi i sipërfaqes30,35.Prandaj, shpërndarja e saktë sipërfaqësore e rrjedhës së përthithjes \(\Phi\) është për shkak të dinamikës komplekse të ndërveprimit midis periudhës strukturore dhe trashësisë së shtresës së oksidit.Në varësi të periudhës, nanostruktura ndikon fuqishëm në shpërndarjen e fluksit të energjisë së përthithur për shkak të rritjes së mprehtë të fushës, ngacmimit të plazmoneve sipërfaqësore, transferimit të jashtëzakonshëm të dritës ose shpërndarjes17,19,20,21.Prandaj, \(\Phi\) është fort johomogjene pranë sipërfaqes dhe \(\delta _ {E}\) ndoshta nuk është më e mundur me një koeficient absorbimi \(\alfa = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) për të gjithë vëllimin afër sipërfaqes.Meqenëse trashësia e filmit të oksidit varet kryesisht nga koha e ngurtësimit [26], efekti i nomenklaturës varet nga temperatura e mostrës.Mikrografitë optike të paraqitura në Figurën S1 në Materialin Suplementar tregojnë ndryshime në vetitë optike.
Këto efekte shpjegojnë pjesërisht thellësinë më të vogël të kanalit në rastin e strukturave të vogla sipërfaqësore në figurat 1d,e dhe 2b,c dhe 3(ii)b,d,f.
Dihet se LSFL-II formohet në gjysmëpërçues, dielektrikë dhe materiale të prirura ndaj oksidimit14,29,30,36,37.Në rastin e fundit, trashësia e shtresës së oksidit sipërfaqësor është veçanërisht e rëndësishme30.Analiza EDX e kryer zbuloi formimin e oksideve sipërfaqësore në sipërfaqen e strukturuar.Kështu, për mostrat e pa ngrohura, oksigjeni i ambientit duket se kontribuon në formimin e pjesshëm të grimcave të gazta dhe pjesërisht në formimin e oksideve sipërfaqësore.Të dy fenomenet japin një kontribut të rëndësishëm në këtë proces.Përkundrazi, për mostrat e ngrohura, oksidet metalike me gjendje të ndryshme oksidimi (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, etj.) janë të qarta 38 në favor.Përveç shtresës së kërkuar të oksidit, prania e vrazhdësisë së gjatësisë nënvalore, kryesisht LIPSS me frekuencë të lartë hapësinore (HSFL), është e nevojshme për të formuar modalitetet e intensitetit të kërkuara të gjatësisë nënvalore (tip d)14,30.Modaliteti përfundimtar i intensitetit LSFL-II është një funksion i amplitudës HSFL dhe trashësisë së oksidit.Arsyeja për këtë mënyrë është ndërhyrja në fushë të largët e dritës së shpërndarë nga HSFL dhe dritës së thyer në material dhe përhapjes brenda materialit dielektrik të sipërfaqes20,29,30.Imazhet SEM të skajit të modelit të sipërfaqes në Figurën S2 në seksionin Materialet Suplementare janë tregues i HSFL para-ekzistues.Ky rajon i jashtëm është i prekur dobët nga periferia e shpërndarjes së intensitetit, gjë që lejon formimin e HSFL.Për shkak të simetrisë së shpërndarjes së intensitetit, ky efekt ndodh edhe përgjatë drejtimit të skanimit.
Ngrohja e mostrës ndikon në procesin e formimit të LSFL-II në disa mënyra.Nga njëra anë, një rritje në temperaturën e mostrës \(T_\mathrm{s}\) ka një efekt shumë më të madh në shpejtësinë e ngurtësimit dhe ftohjes sesa trashësia e shtresës së shkrirë26.Kështu, ndërfaqja e lëngshme e një kampioni të nxehtë i ekspozohet oksigjenit të ambientit për një periudhë më të gjatë kohore.Përveç kësaj, ngurtësimi i vonuar lejon zhvillimin e proceseve komplekse konvektive që rrisin përzierjen e oksigjenit dhe oksideve me çelik të lëngshëm26.Kjo mund të demonstrohet duke krahasuar trashësinë e shtresës së oksidit të formuar vetëm nga difuzioni (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Koha përkatëse e koagulimit është \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, dhe koeficienti i difuzionit \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Trashësi dukshëm më e lartë është vërejtur ose kërkohet në formacionin LSFL-II30.Nga ana tjetër, ngrohja ndikon gjithashtu në formimin e HSFL dhe rrjedhimisht objektet e shpërndarjes që kërkohen për kalimin në modalitetin e intensitetit të tipit LSFL-II d.Ekspozimi i nanovoideve të bllokuara nën sipërfaqe sugjeron përfshirjen e tyre në formimin e HSFL39.Këto defekte mund të përfaqësojnë origjinën elektromagnetike të HSFL për shkak të modeleve të kërkuara me intensitet periodik me frekuencë të lartë14,17,19,29.Përveç kësaj, këto mënyra të intensitetit të gjeneruar janë më uniforme me një numër të madh nanovoidesh19.Kështu, arsyeja për rritjen e incidencës së HSFL mund të shpjegohet me ndryshimin në dinamikën e defekteve kristalore me rritjen e \(T_\mathrm{s}\).
Kohët e fundit është treguar se shpejtësia e ftohjes së silikonit është një parametër kyç për mbingopjen e brendshme intersticiale dhe për rrjedhojë për akumulimin e defekteve të pikës me formimin e dislokimeve40,41.Simulimet e dinamikës molekulare të metaleve të pastra kanë treguar se vendet e lira janë tepër të ngopura gjatë rikristalizimit të shpejtë, dhe për rrjedhojë akumulimi i vendeve të lira në metale vazhdon në një mënyrë të ngjashme42,43,44.Përveç kësaj, studimet eksperimentale të fundit të argjendit janë fokusuar në mekanizmin e formimit të zbrazëtirave dhe grupimeve për shkak të grumbullimit të defekteve pika45.Prandaj, rritja e temperaturës së kampionit \(T_\mathrm {s}\) dhe, rrjedhimisht, një ulje e shpejtësisë së ftohjes mund të ndikojë në formimin e zbrazëtirave, të cilat janë bërthamat e HSFL.
Nëse vendet e lira janë pararendësit e nevojshëm të kaviteteve dhe rrjedhimisht HSFL, temperatura e mostrës \(T_s\) duhet të ketë dy efekte.Nga njëra anë, \(T_s\) ndikon në shpejtësinë e rikristalizimit dhe, rrjedhimisht, në përqendrimin e defekteve në pikë (përqendrimi i vakancave) në kristalin e rritur.Nga ana tjetër, ai gjithashtu ndikon në shkallën e ftohjes pas ngurtësimit, duke ndikuar kështu në përhapjen e defekteve të pikës në kristal 40,41.Për më tepër, shpejtësia e ngurtësimit varet nga orientimi kristalografik dhe për këtë arsye është shumë anizotropik, siç është difuzioni i defekteve në pikë42,43.Sipas kësaj premise, për shkak të reagimit anizotropik të materialit, bashkëveprimi i dritës dhe materies bëhet anizotropik, gjë që nga ana e tij e përforcon këtë çlirim periodik determinist të energjisë.Për materialet polikristaline, kjo sjellje mund të kufizohet nga madhësia e një kokrre të vetme.Në fakt, formimi i LIPSS është demonstruar në varësi të orientimit të kokrrizave46,47.Prandaj, efekti i temperaturës së mostrës \(T_s\) në shkallën e kristalizimit mund të mos jetë aq i fortë sa efekti i orientimit të kokrrizave.Kështu, orientimi i ndryshëm kristalografik i kokrrave të ndryshme ofron një shpjegim potencial për rritjen e zbrazëtirave dhe grumbullimin e HSFL ose LSFL-II, përkatësisht.
Për të sqaruar indikacionet fillestare të kësaj hipoteze, mostrat e papërpunuara u gdhendën për të zbuluar formimin e kokrrizave afër sipërfaqes.Krahasimi i kokrrave në fig.S3 është paraqitur në materialin plotësues.Përveç kësaj, LSFL-I dhe LSFL-II u shfaqën në grupe në mostrat e ngrohura.Madhësia dhe gjeometria e këtyre grupimeve korrespondojnë me madhësinë e kokrrizave.
Për më tepër, HSFL shfaqet vetëm në një gamë të ngushtë në densitet të ulët të fluksit për shkak të origjinës së tij konvektive19,29,48.Prandaj, në eksperimente, kjo ndoshta ndodh vetëm në periferi të profilit të rrezes.Prandaj, HSFL u formua në sipërfaqe jo të oksiduara ose të oksiduara dobët, gjë që u bë e dukshme kur krahasoheshin fraksionet okside të mostrave të trajtuara dhe të patrajtuara (shih tabelën reftab: shembull).Kjo konfirmon supozimin se shtresa e oksidit nxitet kryesisht nga lazeri.
Duke pasur parasysh se formimi i LIPSS zakonisht varet nga numri i pulseve për shkak të reagimit ndër-pulsues, HSFL-të mund të zëvendësohen nga struktura më të mëdha ndërsa mbivendosja e impulseve rritet19.Një HSFL më pak e rregullt rezulton në një model me intensitet më pak të rregullt (d-mode) që kërkohet për formimin e LSFL-II.Prandaj, ndërsa mbivendosja e \(o_\mathrm {p}\) rritet (shih Fig. 1 nga de), rregullsia e LSFL-II zvogëlohet.
Ky studim hulumtoi efektin e temperaturës së substratit në morfologjinë e sipërfaqes së çelikut inox të trajtuar me DLIP të strukturuar me lazer.Është zbuluar se ngrohja e nënshtresës nga 21 në 250°C çon në një ulje të thellësisë së ablacionit nga 1.75 në 0.87 µm në polarizimin s dhe nga 2.33 në 1.06 µm në polarizimin p.Kjo ulje është për shkak të ndryshimit të llojit LIPSS nga LSFL-I në LSFL-II, i cili shoqërohet me një shtresë oksidi sipërfaqësor të induktuar nga lazeri në një temperaturë më të lartë të mostrës.Përveç kësaj, LSFL-II mund të rrisë fluksin e pragut për shkak të rritjes së oksidimit.Supozohet se në këtë sistem teknologjik me mbivendosje të lartë të pulsit, densitet mesatar të energjisë dhe shpejtësi mesatare të përsëritjes, shfaqja e LSFL-II përcaktohet gjithashtu nga ndryshimi në dinamikën e dislokimit të shkaktuar nga ngrohja e mostrës.Grumbullimi i LSFL-II hipotezohet të jetë për shkak të formimit nanovoid të varur nga orientimi i kokrrizave, duke çuar në HSFL si një pararendës i LSFL-II.Gjithashtu, studiohet ndikimi i drejtimit të polarizimit në periudhën strukturore dhe gjerësinë e brezit të periudhës strukturore.Rezulton se p-polarizimi është më efikas për procesin DLIP për sa i përket thellësisë së ablacionit.Në përgjithësi, ky studim zbulon një sërë parametrash të procesit për të kontrolluar dhe optimizuar thellësinë e ablacionit DLIP për të krijuar modele të personalizuara të sipërfaqes.Së fundi, kalimi nga LSFL-I në LSFL-II është tërësisht i drejtuar nga nxehtësia dhe pritet një rritje e vogël në shkallën e përsëritjes me mbivendosje të vazhdueshme të pulsit për shkak të rritjes së akumulimit të nxehtësisë24.Të gjitha këto aspekte janë të rëndësishme për sfidën e ardhshme të zgjerimit të procesit DLIP, për shembull nëpërmjet përdorimit të sistemeve të skanimit poligonal49.Për të minimizuar grumbullimin e nxehtësisë, mund të ndiqet strategjia e mëposhtme: mbajeni shpejtësinë e skanimit të skanerit poligonal sa më të lartë që të jetë e mundur, duke përfituar nga madhësia më e madhe e pikës lazer, ortogonale me drejtimin e skanimit dhe duke përdorur ablacionin optimal.fluence 28. Përveç kësaj, këto ide lejojnë krijimin e topografisë komplekse hierarkike për funksionalizimin e avancuar të sipërfaqes duke përdorur DLIP.
Në këtë studim janë përdorur pllaka inox të elektropolizuara (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) me trashësi 0.8 mm.Për të hequr çdo ndotës nga sipërfaqja, mostrat u lanë me kujdes me etanol përpara trajtimit me lazer (përqendrimi absolut i etanolit \(\ge\) 99,9%).
Cilësimi DLIP tregohet në Figurën 4. Mostrat u ndërtuan duke përdorur një sistem DLIP të pajisur me një burim lazer pulsues ultrashort 12 ps me një gjatësi vale 532 nm dhe një shpejtësi maksimale përsëritjeje prej 50 MHz.Shpërndarja hapësinore e energjisë së rrezes është Gaussian.Optika e projektuar posaçërisht siguron një konfigurim interferometrik me rreze të dyfishta për të krijuar struktura lineare në mostër.Një lente me një gjatësi fokale prej 100 mm mbivendos dy rreze lazer shtesë në sipërfaqe në një kënd fiks prej 6,8\(^\circ\), i cili jep një periudhë hapësinore prej rreth 4,5 µm.Më shumë informacion mbi konfigurimin eksperimental mund të gjeni gjetkë50.
Para përpunimit me lazer, kampioni vendoset në një pllakë ngrohjeje në një temperaturë të caktuar.Temperatura e pllakës ngrohëse u vendos në 21 dhe 250°C.Në të gjitha eksperimentet, një avion tërthor i ajrit të kompresuar u përdor në kombinim me një pajisje shkarkimi për të parandaluar depozitimin e pluhurit në optikë.Një sistem i fazës x,y është ngritur për të pozicionuar kampionin gjatë strukturimit.
Shpejtësia e sistemit të fazës së pozicionimit ndryshonte nga 66 në 200 mm/s për të marrë një mbivendosje midis impulseve përkatësisht 99,0 deri në 99,67 \(\%\).Në të gjitha rastet, shkalla e përsëritjes ishte fiksuar në 200 kHz, dhe fuqia mesatare ishte 4 W, e cila jepte një energji për impuls prej 20 μJ.Diametri i rrezes së përdorur në eksperimentin DLIP është rreth 100 µm, dhe densiteti maksimal i energjisë lazer që rezulton është 0,5 J/cm\(^{2}\).Energjia totale e çliruar për njësi sipërfaqe është fluenca kumulative maksimale që korrespondon me 50 J/cm\(^2\) për \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) për \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) dhe 150 J/cm\(^2\) për \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Përdorni pllakën \(\lambda\)/2 për të ndryshuar polarizimin e rrezes lazer.Për çdo grup parametrash të përdorur, një sipërfaqe prej përafërsisht 35 × 5 mm\(^{2}\) është teksturuar në mostër.Të gjitha eksperimentet e strukturuara u kryen në kushte ambienti për të siguruar zbatueshmëri industriale.
Morfologjia e mostrave u ekzaminua duke përdorur një mikroskop konfokal me zmadhim 50x dhe një rezolucion optik dhe vertikal përkatësisht 170 nm dhe 3 nm.Të dhënat topografike të mbledhura u vlerësuan më pas duke përdorur softuerin e analizës së sipërfaqes.Nxjerrja e profileve nga të dhënat e terrenit sipas ISO 1661051.
Mostrat u karakterizuan gjithashtu duke përdorur një mikroskop elektronik skanues me një tension përshpejtues prej 6.0 kV.Përbërja kimike e sipërfaqes së mostrave u vlerësua duke përdorur një bashkëngjitje të spektroskopisë me rreze X me shpërndarje energjie (EDS) me një tension përshpejtues prej 15 kV.Përveç kësaj, një mikroskop optik me një objektiv 50x është përdorur për të përcaktuar morfologjinë kokrrizore të mikrostrukturës së mostrave. Para kësaj, mostrat u gdhendën në një temperaturë konstante prej 50 \(^\circ\)C për pesë minuta në një njollë inox me acid klorhidrik dhe acid nitrik prej 15-20 \(\%\) dhe 1\( -<\)5 \(\%\), respektivisht. Para kësaj, mostrat u gdhendën në një temperaturë konstante prej 50 \(^\circ\)C për pesë minuta në një njollë inox me acid klorhidrik dhe acid nitrik prej 15-20 \(\%\) dhe 1\( -<\)5 \(\%\), respektivisht. Перед этим образцы травили при постоянной температура 50 \(^\circ\)С во течение пяти минут во краске од нержавеющей стали соляной и азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%( -\) и 1 \%\) соответственно. Para kësaj, mostrat u gdhendën në një temperaturë konstante prej 50 \(^\circ\)C për pesë minuta në bojë inox me acide klorhidrike dhe nitrik me një përqendrim 15-20 \(\%\) dhe 1\( -<\)5 \( \%\) përkatësisht.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，盐酸以\1%鸺咸) 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。Para kësaj, mostrat u turshi për pesë minuta në një temperaturë konstante prej 50 \(^\circ\)C në një zgjidhje ngjyrosëse për çelik inox me një përqendrim të acideve klorhidrik dhe nitrik 15-20 \(\%\) dhe 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) përkatësisht.
Diagrami skematik i konfigurimit eksperimental të një konfigurimi DLIP me dy rreze, duke përfshirë (1) një rreze lazer, (2) një pllakë \(\lambda\)/2, (3) një kokë DLIP me një konfigurim të caktuar optik, (4 ) një pjatë e nxehtë, (5) një ndër-fluidike, (6) hapa pozicionimi x,y dhe (7) ekzemplarë çeliku inox.Dy rreze të mbivendosura, të rrethuara me të kuqe në të majtë, krijojnë struktura lineare në kampion në këndet \(2\theta\) (duke përfshirë polarizimin s dhe p).
Të dhënat e përdorura dhe/ose të analizuara në studimin aktual janë në dispozicion nga autorët përkatës me kërkesë të arsyeshme.
Koha e postimit: Jan-07-2023