Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Директната ласерска интерференција (DLIP) во комбинација со периодична површинска структура индуцирана од ласер (LIPSS) овозможува создавање функционални површини за различни материјали.Пропусната моќ на процесот обично се зголемува со користење на повисока просечна ласерска моќност.Сепак, ова доведува до акумулација на топлина, што влијае на грубоста и обликот на добиената шема на површината.Затоа, потребно е детално да се проучи влијанието на температурата на подлогата врз морфологијата на изработените елементи.Во оваа студија, челичната површина беше линиски обоена со ps-DLIP на 532 nm.За да се истражи ефектот на температурата на подлогата врз добиената топографија, се користеше грејна плоча за контрола на температурата.Загревањето до 250 \(^{\circ }\)С доведе до значително намалување на длабочината на формираните структури од 2,33 на 1,06 μm.Намалувањето беше поврзано со појавата на различни типови на LIPSS во зависност од ориентацијата на зрната на подлогата и оксидацијата на површината предизвикана од ласер.Оваа студија го покажува силниот ефект на температурата на подлогата, што исто така се очекува кога површинската обработка се изведува со висока просечна ласерска моќност за да се создадат ефекти на акумулација на топлина.
Методите за површинска обработка базирани на ултракратко импулсно ласерско зрачење се во првите редови на науката и индустријата поради нивната способност да ги подобрат површинските својства на најважните релевантни материјали1.Особено, функционалноста на прилагодената површина предизвикана од ласер е најсовремена во широк опсег на индустриски сектори и сценарија за примена1,2,3.На пример, Верчило и сор.Својствата против замрзнување се докажани на легурите на титаниум за воздушни апликации врз основа на суперхидрофобност предизвикана од ласер.Epperlein et al објавија дека карактеристиките со нано големина произведени со ласерско структурирање на површината може да влијаат на растот или инхибицијата на биофилмот на примероците од челик5.Покрај тоа, Гуаи и сор.ги подобри и оптичките својства на органските соларни ќелии.6 Така, ласерското структурирање овозможува производство на структурни елементи со висока резолуција со контролирана аблација на површинскиот материјал1.
Соодветна техника на ласерско структурирање за производство на такви периодични површински структури е обликување на директни ласерски пречки (DLIP).DLIP се заснова на пречки во близина на површината на два или повеќе ласерски зраци за да се формираат обраснати површини со карактеристики во опсегот на микрометри и нанометри.Во зависност од бројот и поларизацијата на ласерските зраци, DLIP може да дизајнира и создаде широк спектар на топографски површински структури.Ветувачки пристап е да се комбинираат DLIP структури со периодични површински структури индуцирани од ласер (LIPSS) за да се создаде површинска топографија со сложена структурна хиерархија8,9,10,11,12.Во природата, се покажа дека овие хиерархии обезбедуваат уште подобри перформанси од моделите со еден размер13.
Функцијата LIPSS е предмет на процес на самозасилување (позитивен фидбек) заснован на зголемена модулација блиску до површината на дистрибуцијата на интензитетот на зрачењето.Ова се должи на зголемувањето на нанорамноста бидејќи бројот на применети ласерски импулси се зголемува за 14, 15, 16. Модулацијата се јавува главно поради мешањето на емитираниот бран со електромагнетното поле15,17,18,19,20,21 на прекршените и компоненти на расфрлани бранови или површински плазмони.На формирањето на LIPSS влијае и времето на пулсот22,23.Особено, повисоките просечни ласерски моќи се неопходни за површински третмани со висока продуктивност.Ова обично бара употреба на високи стапки на повторување, односно во опсегот на MHz.Следствено, временското растојание помеѓу ласерските импулси е пократко, што доведува до ефекти на акумулација на топлина 23, 24, 25, 26. Овој ефект доведува до севкупно зголемување на температурата на површината, што може значително да влијае на механизмот на обликување за време на ласерската аблација.
Во едно претходно дело, Руденко и сор.и Цибидис и сор.Се дискутира за механизам за формирање на конвективни структури, кој треба да станува сè поважен како што се зголемува акумулацијата на топлина19,27.Покрај тоа, Бауер и сор.Поврзете ја критичната количина на акумулација на топлина со микронски површински структури.И покрај овој термички индуциран процес на формирање структура, општо се верува дека продуктивноста на процесот може да се подобри едноставно со зголемување на стапката на повторување28.Иако ова, пак, не може да се постигне без значително зголемување на складирањето на топлина.Затоа, процесните стратегии кои обезбедуваат топологија на повеќе нивоа можеби нема да бидат преносливи за повисоки стапки на повторување без промена на кинетиката на процесот и формирањето на структурата9,12.Во овој поглед, многу е важно да се истражи како температурата на подлогата влијае на процесот на формирање на DLIP, особено кога се прават обрасци на слоевити површини поради истовременото формирање на LIPSS.
Целта на оваа студија беше да се оцени ефектот на температурата на подлогата врз добиената површинска топографија при DLIP обработка на нерѓосувачки челик користејќи ps импулси.За време на ласерската обработка, температурата на подлогата на примерокот се зголеми до 250 \(^\circ\)C со помош на грејна плоча.Добиените површински структури беа карактеризирани со користење на конфокална микроскопија, електронска микроскопија за скенирање и енергетско дисперзивна спектроскопија на Х-зраци.
Во првата серија на експерименти, челичната подлога беше обработена со помош на DLIP конфигурација со две зраци со просторен период од 4,5 µm и температура на подлогата од \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, во натамошниот текст како „незагреана » површина.Во овој случај, преклопувањето на пулсот \(o_{\mathrm {p}}\) е растојанието помеѓу два пулса како функција на големината на точката.Таа варира од 99,0% (100 пулсирања по позиција) до 99,67% (300 пулсирања по позиција).Во сите случаи, користена е врвна густина на енергија \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (за Гаусовиот еквивалент без пречки) и фреквенција на повторување f = 200 kHz.Насоката на поларизација на ласерскиот зрак е паралелна со движењето на табелата за позиционирање (сл. 1а)), која е паралелна со правецот на линеарната геометрија создадена од шемата за пречки со два зраци.Репрезентативните слики на добиените структури со помош на електронски микроскоп за скенирање (SEM) се прикажани на Сл.1a–c.За да се поддржи анализата на SEM сликите во однос на топографијата, беа извршени Фуриеови трансформации (FFTs, прикажани во темни влошки) на структурите што се оценуваат.Во сите случаи, добиената DLIP геометрија беше видлива со просторен период од 4,5 µm.
За случајот \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% во потемната област на Сл.1а, што одговара на положбата на максимумот на пречки, може да се набљудуваат жлебови кои содржат помали паралелни структури.Тие се менуваат со посветли ленти покриени во топографија слична на наночестички.Бидејќи паралелната структура помеѓу жлебовите се чини дека е нормална на поларизацијата на ласерскиот зрак и има период од \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, малку помала од брановата должина на ласерот \(\ламбда\) (532 nm) може да се нарече LIPSS со мала просторна фреквенција (LSFL-I)15,18.LSFL-I произведува таканаречен s-тип на сигнал во FFT, расејување „s“15,20.Затоа, сигналот е нормален на силниот централен вертикален елемент, кој пак се генерира од структурата DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\приближно\) 4,5 µm).Сигналот генериран од линеарната структура на шаблонот DLIP на сликата FFT се нарекува „тип на DLIP“.
SEM слики од површински структури создадени со помош на DLIP.Врвната густина на енергијата е \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (за Гаусовиот еквивалент без бучава) и стапка на повторување f = 200 kHz.Сликите покажуваат температура на примерокот, поларизација и преклопување.Движењето на фазата на локализација е означено со црна стрелка во (а).Црното вметнување го прикажува соодветниот FFT добиен од 37,25 \(\times\) 37,25 μm SEM сликата (прикажано додека брановиот вектор не стане \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 nm).Параметрите на процесот се наведени на секоја слика.
Гледајќи понатаму во Слика 1, можете да видите дека како што се зголемува преклопувањето на \(o_{\mathrm {p}}\), сигмоидниот сигнал е повеќе концентриран кон оската x на FFT.Остатокот од LSFL-I има тенденција да биде повеќе паралелен.Покрај тоа, релативниот интензитет на сигналот од типот s се намали и интензитетот на сигналот од типот DLIP се зголеми.Ова се должи на се поизразените ровови со поголемо преклопување.Исто така, сигналот на оската x помеѓу типот s и центарот мора да доаѓа од структура со иста ориентација како LSFL-I, но со подолг период (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\приближно \ ) 1,4 ± 0,2 µm) како што е прикажано на Слика 1в).Затоа, се претпоставува дека нивното формирање е шема на јами во центарот на ровот.Новата карактеристика се појавува и во опсегот на висока фреквенција (голем бранов број) на ординатата.Сигналот доаѓа од паралелни бранувања на падините на ровот, најверојатно поради мешањето на инцидентот и светлината што се рефлектира напред на падините9,14.Во продолжение, овие бранувања се означени со LSFL \ (_ \ mathrm {раб} \), а нивните сигнали - со тип -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Во следниот експеримент, температурата на примерокот беше доведена до 250 °C под таканаречената „загреана“ површина.Структурирањето беше спроведено според истата стратегија за обработка како и експериментите споменати во претходниот дел (слики 1а-1в).Сликите на SEM ја прикажуваат добиената топографија како што е прикажано на сл. 1d–f.Загревањето на примерокот до 250 C доведува до зголемување на појавата на LSFL, чија насока е паралелна со ласерската поларизација.Овие структури може да се карактеризираат како LSFL-II и имаат просторен период \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) од 247 ± 35 nm.Сигналот LSFL-II не се прикажува во FFT поради високата фреквенција на режимот.Како што \(o_{\mathrm {p}}\) се зголемуваше од 99,0 на 99,67 \(\%\) (сл. 1d–e), ширината на регионот на светлиот опсег се зголемуваше, што доведе до појава на сигнал DLIP за повеќе од високи фреквенции.бранови броеви (пониски фреквенции) и на тој начин се поместуваат кон центарот на FFT.Редовите на јами на Сл. 1г може да бидат прекурсори на таканаречените жлебови формирани нормално на LSFL-I22,27.Покрај тоа, се чини дека LSFL-II стана пократок и неправилен облик.Забележете исто така дека просечната големина на светли ленти со морфологија на нанозрнести е помала во овој случај.Покрај тоа, дистрибуцијата на големината на овие наночестички се покажа дека е помалку дисперзирана (или доведе до помала агломерација на честички) отколку без загревање.Квалитативно, ова може да се процени со споредување на сликите 1a, d или b, e, соодветно.
Како што преклопувањето \(o_{\mathrm {p}}\) дополнително се зголемуваше на 99,67% (сл. 1f), постепено се појави посебна топографија поради се поочигледните бразди.Сепак, овие жлебови изгледаат помалку подредени и помалку длабоки отколку на Сл. 1в.Нискиот контраст помеѓу светлите и темните области на сликата се прикажува во квалитет.Овие резултати се дополнително поддржани од послабиот и повеќе расеан сигнал на FFT ординатата на сл. 1f во споредба со FFT на в.Помали стрии беа видливи и при загревањето при споредување на сликите 1б и е, што подоцна беше потврдено со конфокална микроскопија.
Покрај претходниот експеримент, поларизацијата на ласерскиот зрак беше ротирана за 90 \(^{\circ}\), што предизвика насоката на поларизација да се движи нормално на платформата за позиционирање.На сл.2a-c ги прикажува раните фази на формирање на структурата, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% во незагреани (a), загреани (b) и загреани 90 \(^{\ circ }\ ) – Случај со ротирачка поларизација (в).За да се визуелизира нанотопографијата на структурите, областите означени со обоени квадрати се прикажани на Сл.2d, во зголемена скала.
SEM слики од површински структури создадени со помош на DLIP.Процесните параметри се исти како на сл.1.Сликата ја прикажува температурата на примерокот \(T_s\), поларизацијата и преклопувањето на пулсот \(o_\mathrm {p}\).Црното вметнување повторно ја покажува соодветната Фуриеова трансформација.Сликите во (d)-(i) се зголемувања на означените области во (a)-(c).
Во овој случај, може да се види дека структурите во потемните области на Сл. 2б, в се чувствителни на поларизација и затоа се означени LSFL-II14, 20, 29, 30. Имено, ориентацијата на LSFL-I е исто така ротирана ( Сл. 2g, i), што може да се види од ориентацијата на сигналот од типот s во соодветниот FFT.Пропусниот опсег на периодот LSFL-I се чини поголем во споредба со периодот b, а неговиот опсег е поместен кон помали периоди на Сл. 2c, како што е наведено од пораспространетиот сигнал од типот s.Така, следниот LSFL просторен период може да се забележи на примерокот при различни температури на загревање: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm на 21 ^{ \circ }\ )C (сл. 2а), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm и \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm на 250°C (сл. 2б) за поларизација на s.Напротив, просторниот период на p-поларизација и 250 \(^{\circ }\)C е еднаков на \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm и \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (сл. 2в).
Имено, резултатите покажуваат дека само со зголемување на температурата на примерокот, морфологијата на површината може да се префрли помеѓу две крајности, вклучувајќи (i) површина што содржи само LSFL-I елементи и (ii) област покриена со LSFL-II.Бидејќи формирањето на овој конкретен тип на LIPSS на метални површини е поврзано со површинските оксидни слоеви, беше изведена анализа на енергетска дисперзивна рендгенска зраци (EDX).Табелата 1 ги сумира добиените резултати.Секое определување се врши со просек од најмалку четири спектри на различни места на површината на обработената мостра.Мерењата се вршат на различни температури на примерокот \(T_\mathrm{s}\) и различни позиции на површината на примерокот што содржи неструктурирани или структурирани области.Мерењата исто така содржат информации за подлабоките неоксидирани слоеви кои лежат директно под третираната стопена површина, но во длабочината на пенетрација на електрони од анализата EDX.Сепак, треба да се забележи дека EDX е ограничен во неговата способност да ја квантифицира содржината на кислород, така што овие вредности овде можат да дадат само квалитативна проценка.
Нетретираните делови од примероците не покажаа значителни количини на кислород на сите работни температури.По ласерскиот третман, нивото на кислород се зголемило во сите случаи31.Разликата во елементарниот состав помеѓу двата нетретирани примероци беше како што се очекуваше за комерцијалните примероци на челик, а беа пронајдени значително повисоки вредности на јаглерод во споредба со листот со податоци на производителот за челик AISI 304 поради контаминација со јаглеводороди32.
Пред да се дискутираат можните причини за намалување на длабочината на аблација на жлебот и преминот од LSFL-I во LSFL-II, се користат профилите на спектрална густина на моќност (PSD) и висина.
(i) Квази-дво-димензионалната нормализирана спектрална густина на моќноста (Q2D-PSD) на површината е прикажана како SEM слики на сликите 1 и 2. 1 и 2. Бидејќи PSD е нормализиран, намалувањето на збирниот сигнал треба да биде сфатено како зголемување на константниот дел (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), што не е прикажано), т.е. мазност.(ii) Соодветен профил на средна висина на површината.Температурата на примерокот \(T_s\), преклопувањето \(o_{\mathrm {p}}\) и ласерската поларизација E во однос на ориентацијата \(\vec {v}\) на движењето на платформата за позиционирање се прикажани на сите графики.
За да се измери впечатокот на SEM сликите, беше генериран просечен нормализиран спектар на моќност од најмалку три SEM слики за секој поставен параметар со просекување на сите еднодимензионални (1D) спектрални густини на моќност (PSD) во насока x или y.Соодветниот графикон е прикажан на Сл. 3i кој го прикажува поместувањето на фреквенцијата на сигналот и неговиот релативен придонес во спектарот.
На сл.3ia, c, e, врвот DLIP расте во близина на \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ ( ^{- 1}\) или соодветните повисоки хармоници како што се зголемува преклопувањето \(o_{\mathrm {p))\).Зголемувањето на основната амплитуда беше поврзано со посилен развој на структурата LRIB.Амплитудата на повисоките хармоници се зголемува со стрмнината на наклонот.За правоаголни функции како ограничувачки случаи, приближувањето бара најголем број на фреквенции.Затоа, врвот околу 1,4 µm\(^{-1}\) во PSD и соодветните хармоници може да се користат како параметри за квалитет за обликот на жлебот.
Напротив, како што е прикажано на сл. 3(i)b,d,f, PSD на загреаниот примерок покажува послаби и пошироки врвови со помал сигнал во соодветните хармоници.Покрај тоа, на сл.3(i)f покажува дека вториот хармоничен сигнал дури го надминува основниот сигнал.Ова ја рефлектира понеправилната и помалку изразена DLIP структура на загреаниот примерок (во споредба со \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Друга карактеристика е тоа што како што се зголемува преклопувањето \(o_{\mathrm {p}}\), добиениот LSFL-I сигнал се поместува кон помал бранов број (подолг период).Ова може да се објасни со зголемената стрмност на рабовите на режимот DLIP и поврзаното локално зголемување на аголот на инциденца14,33.Следејќи го овој тренд, може да се објасни и проширувањето на сигналот LSFL-I.Покрај стрмните падини, има и рамни површини на дното и над врвовите на структурата DLIP, што овозможува поширок опсег на LSFL-I периоди.За материјали со висока апсорпција, периодот LSFL-I обично се проценува како:
каде \(\theta\) е аголот на инциденца, а ознаките s и p се однесуваат на различни поларизации33.
Треба да се забележи дека рамнината на инциденца за поставување DLIP е обично нормална на движењето на платформата за позиционирање, како што е прикажано на Слика 4 (видете го делот Материјали и методи).Затоа, s-поларизацијата, по правило, е паралелна со движењето на сцената, а p-поларизацијата е нормална на неа.Според равенката.(1), за s-поларизација се очекува ширење и поместување на сигналот LSFL-I кон помали бранови броеви.Ова се должи на зголемувањето на \(\theta\) и аголниот опсег \(\theta \pm \delta \theta\) како што се зголемува длабочината на ровот.Ова може да се види со споредување на врвовите LSFL-I на Сл. 3ia,c,e.
Според резултатите прикажани на сл.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) е исто така видлив во соодветниот PSD на сл.3т.е.На сл.3ig,h покажува PSD за p-поларизација.Разликата во врвовите на DLIP е поизразена помеѓу загреаните и незагреаните примероци.Во овој случај, сигналот од LSFL-I се преклопува со повисоките хармоници на врвот DLIP, додавајќи му на сигналот во близина на брановата должина на ласерот.
За да се дискутираат резултатите подетално, на Сл. 3ii е прикажана структурната длабочина и преклопувањето помеѓу импулсите на линеарната висинска дистрибуција на DLIP на различни температури.Вертикалниот висински профил на површината е добиен со просек од десет поединечни вертикални висински профили околу центарот на структурата DLIP.За секоја применета температура, длабочината на структурата се зголемува со зголемување на преклопувањето на пулсот.Профилот на загреаниот примерок покажува жлебови со просечни вредности од врв до врв (pvp) од 0,87 µm за s-поларизација и 1,06 µm за p-поларизација.Спротивно на тоа, s-поларизацијата и p-поларизацијата на незагреаниот примерок покажуваат pvp од 1,75 µm и 2,33 µm, соодветно.Соодветното pvp е прикажано во висинскиот профил на сл.3ii.Секој PvP просек се пресметува со просек од осум единечни PvP.
Покрај тоа, на сл.3iig,h ја покажува распределбата на висината на p-поларизација нормално на системот за позиционирање и движењето на жлебот.Насоката на p-поларизација има позитивен ефект врз длабочината на жлебот бидејќи резултира со малку повисока pvp на 2,33 µm во споредба со s-поларизацијата на 1,75 µm pvp.Ова пак одговара на жлебовите и движењето на системот на платформата за позиционирање.Овој ефект може да биде предизвикан од помала структура во случај на s-поларизација во споредба со случајот на p-поларизација (види Сл. 2f,h), што ќе се дискутира понатаму во следниот дел.
Целта на дискусијата е да се објасни намалувањето на длабочината на жлебот поради промената на главната класа LIPS (LSFL-I во LSFL-II) во случај на загреани примероци.Затоа, одговорете на следниве прашања:
За да се одговори на првото прашање, неопходно е да се разгледаат механизмите одговорни за намалување на аблацијата.За еден пулс при нормална инциденца, длабочината на аблацијата може да се опише како:
каде што \(\delta _{\mathrm {E}}\) е длабочината на пенетрација на енергијата, \(\Phi\) и \(\Phi _{\mathrm {th}}\) се флуенсот на апсорпција и флуенсот на аблацијата праг, соодветно34 .
Математички, длабочината на пенетрација на енергија има мултипликативен ефект врз длабочината на аблацијата, додека промената на енергијата има логаритамски ефект.Значи, промените на флуентноста не влијаат на \(\Delta z\) се додека \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Сепак, силната оксидација (на пример, поради формирањето на хром оксид) води до посилни врски Cr-O35 во споредба со врските Cr-Cr, со што се зголемува прагот на аблација.Следствено, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) веќе не е задоволен, што доведува до брзо намалување на длабочината на аблацијата со намалување на густината на енергетскиот флукс.Дополнително, позната е корелација помеѓу состојбата на оксидација и периодот на LSFL-II, што може да се објасни со промените во самата наноструктура и оптичките својства на површината предизвикани од површинската оксидација30,35.Затоа, точната површинска дистрибуција на флуенсот на апсорпција \(\Phi\) се должи на сложената динамика на интеракцијата помеѓу структурниот период и дебелината на оксидниот слој.Во зависност од периодот, наноструктурата силно влијае на распределбата на апсорбираниот енергетски флукс поради нагло зголемување на полето, возбудување на површинските плазмони, извонреден пренос на светлина или расејување17,19,20,21.Затоа, \(\Phi\) е силно нехомогена во близина на површината, и \(\делта _ {E}\) веројатно веќе не е можно со еден коефициент на апсорпција \(\алфа = \делта _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \приближно \делта _{\mathrm {E}}^{-1}\) за целиот волумен блиску до површината.Бидејќи дебелината на оксидниот филм во голема мера зависи од времето на зацврстување [26], номенклатурниот ефект зависи од температурата на примерокот.Оптичките микрографи прикажани на слика S1 во Дополнителниот материјал укажуваат на промени во оптичките својства.
Овие ефекти делумно ја објаснуваат помалата длабочина на ровот во случај на мали површински структури на сликите 1d,e и 2b,c и 3(ii)b,d,f.
Познато е дека LSFL-II се формира на полупроводници, диелектрици и материјали склони кон оксидација14,29,30,36,37.Во вториот случај, особено е важна дебелината на површинскиот оксиден слој30.Спроведената EDX анализа откри формирање на површински оксиди на структурираната површина.Така, за незагреани примероци, се чини дека кислородот од околината придонесува за делумно формирање на гасовити честички и делумно за формирање на површински оксиди.И двата феномени даваат значаен придонес во овој процес.Напротив, за загреани примероци, метални оксиди со различни состојби на оксидација (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, итн.) се јасни 38 во корист.Покрај потребниот оксиден слој, присуството на грубост на подбранова должина, главно LIPSS со висока просторна фреквенција (HSFL), е неопходно за да се формираат потребните режими на интензитет на подбранова должина (д-тип)14,30.Конечниот режим на интензитет LSFL-II е функција на амплитудата на HSFL и дебелината на оксидот.Причината за овој режим е пречки на далечното поле на светлината расфрлана од HSFL и светлината што се прекршува во материјалот и се шири внатре во површинскиот диелектричен материјал20,29,30.Сликите на SEM од работ на шаблонот на површината на Слика S2 во делот Дополнителни материјали се индикативни за претходно постоечки HSFL.Овој надворешен регион е слабо засегнат од периферијата на распределбата на интензитетот, што овозможува формирање на HSFL.Поради симетријата на дистрибуцијата на интензитетот, овој ефект се случува и долж насоката на скенирање.
Загревањето на примерокот влијае на процесот на формирање на LSFL-II на неколку начини.Од една страна, зголемувањето на температурата на примерокот \(T_\mathrm{s}\) има многу поголем ефект врз брзината на зацврстување и ладење отколку дебелината на стопениот слој26.Така, течниот интерфејс на загреаниот примерок е изложен на кислород од околината подолг временски период.Дополнително, одложеното зацврстување овозможува развој на сложени конвективни процеси кои го зголемуваат мешањето на кислородот и оксидите со течен челик26.Ова може да се докаже со споредување на дебелината на оксидниот слој формиран само со дифузија (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Соодветното време на коагулација е \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, а коефициентот на дифузија \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Забележана или потребна е значително поголема дебелина во формацијата LSFL-II30.Од друга страна, греењето, исто така, влијае на формирањето на HSFL, а со тоа и на предметите за расејување потребни за премин во режим на интензитет од типот LSFL-II d.Изложеноста на нановоидите заробени под површината сугерира нивно учество во формирањето на HSFL39.Овие дефекти може да го претставуваат електромагнетното потекло на HSFL поради потребните обрасци со периодичен интензитет со висока фреквенција14,17,19,29.Покрај тоа, овие генерирани режими на интензитет се порамномерни со голем број нановоиди19.Така, причината за зголемената инциденца на HSFL може да се објасни со промената на динамиката на кристалните дефекти како што се зголемува \(T_\mathrm{s}\).
Неодамна се покажа дека брзината на ладење на силициумот е клучен параметар за внатрешна интерстицијална презаситеност, а со тоа и за акумулација на точкасти дефекти со формирање на дислокации40,41.Симулациите на молекуларната динамика на чистите метали покажаа дека празните места се презаситени за време на брзата рекристализација, па оттука и акумулацијата на празни места во металите се одвива на сличен начин42,43,44.Покрај тоа, неодамнешните експериментални студии за среброто се фокусираа на механизмот на формирање на празнини и кластери поради акумулација на точкасти дефекти45.Затоа, зголемувањето на температурата на примерокот \(T_\mathrm {s}\) и, следствено, намалувањето на брзината на ладење може да влијае на формирањето на празнини, кои се јадрата на HSFL.
Ако слободните места се неопходни прекурсори на шуплините, а со тоа и на HSFL, температурата на примерокот \(T_s\) треба да има два ефекти.Од една страна, \(T_s\) влијае на стапката на рекристализација и, следствено, на концентрацијата на точкасти дефекти (концентрација на празно место) во одгледуваниот кристал.Од друга страна, исто така, влијае на стапката на ладење по зацврстувањето, а со тоа влијае на дифузијата на точките дефекти во кристалот 40,41.Дополнително, стапката на зацврстување зависи од кристалографската ориентација и затоа е високо анизотропна, како што е и дифузијата на точките дефекти42,43.Според оваа премиса, поради анизотропниот одговор на материјалот, интеракцијата на светлината и материјата станува анизотропна, што пак го засилува ова детерминистичко периодично ослободување на енергија.За поликристални материјали, ова однесување може да се ограничи со големината на едно зрно.Всушност, формирањето на LIPSS е докажано во зависност од ориентацијата на зрната46,47.Затоа, ефектот на температурата на примерокот \(T_s\) врз стапката на кристализација можеби не е толку силен како ефектот на ориентацијата на зрната.Така, различната кристалографска ориентација на различни зрна дава потенцијално објаснување за зголемувањето на празнините и агрегацијата на HSFL или LSFL-II, соодветно.
За да се разјаснат првичните индикации на оваа хипотеза, суровите примероци беа гравирани за да се открие формирањето на зрната блиску до површината.Споредба на зрна на сл.S3 е прикажан во дополнителниот материјал.Покрај тоа, LSFL-I и LSFL-II се појавија во групи на загреани примероци.Големината и геометријата на овие кластери одговараат на големината на зрната.
Покрај тоа, HSFL се јавува само во тесен опсег при ниски густини на флукс поради неговото конвективно потекло19,29,48.Затоа, во експериментите, ова веројатно се случува само на периферијата на профилот на зракот.Затоа, HSFL се формирал на неоксидирани или слабо оксидирани површини, што станало видливо кога се споредуваат оксидните фракции на третираните и нетретираните примероци (види табела reftab: пример).Ова ја потврдува претпоставката дека оксидниот слој е главно индуциран од ласерот.
Со оглед на тоа што формирањето на LIPSS обично зависи од бројот на импулси поради интер-пулсната повратна информација, HSFL може да се заменат со поголеми структури како што се зголемува преклопувањето на пулсот19.Помалку правилен HSFL резултира со помалку редовен интензитет на шема (d-mode) потребен за формирање на LSFL-II.Затоа, како што се зголемува преклопувањето на \(o_\mathrm {p}\) (види слика 1 од de), регуларноста на LSFL-II се намалува.
Оваа студија го истражуваше ефектот на температурата на подлогата врз морфологијата на површината на нерѓосувачкиот челик обработен со ласерски структуриран DLIP.Откриено е дека загревањето на подлогата од 21 до 250°C доведува до намалување на длабочината на аблација од 1,75 до 0,87 µm во s-поларизацијата и од 2,33 до 1,06 µm во p-поларизацијата.Ова намалување се должи на промената на типот LIPSS од LSFL-I во LSFL-II, што е поврзано со површински оксиден слој индуциран од ласер на повисока температура на примерокот.Покрај тоа, LSFL-II може да го зголеми прагот на проток поради зголемена оксидација.Се претпоставува дека во овој технолошки систем со високо пулсно преклопување, просечна густина на енергија и просечна стапка на повторување, појавата на LSFL-II е одредена и од промената на динамиката на дислокација предизвикана од загревањето на примерокот.Агрегацијата на LSFL-II се претпоставува дека се должи на формирање на нановоид зависно од ориентацијата на зрната, што доведува до HSFL како претходник на LSFL-II.Дополнително, се проучува влијанието на насоката на поларизација врз структурниот период и пропусниот опсег на структурниот период.Излегува дека p-поларизацијата е поефикасна за процесот DLIP во однос на длабочината на аблација.Генерално, оваа студија открива збир на параметри на процесот за контрола и оптимизирање на длабочината на DLIP аблацијата за да се создадат приспособени обрасци на површината.Конечно, преминот од LSFL-I во LSFL-II е целосно поттикнат од топлина и се очекува мало зголемување на стапката на повторување со постојано преклопување на пулсот поради зголеменото акумулирање на топлина24.Сите овие аспекти се релевантни за претстојниот предизвик за проширување на процесот DLIP, на пример преку употреба на полигонални системи за скенирање49.За да се минимизира акумулацијата на топлина, може да се следи следнава стратегија: да се задржи брзината на скенирање на полигоналниот скенер што е можно повисоко, искористувајќи ја поголемата големина на ласерското место, ортогонално на насоката на скенирање и користејќи оптимална аблација.fluence 28. Дополнително, овие идеи овозможуваат создавање на сложена хиерархиска топографија за напредна функционализација на површината со користење на DLIP.
Во оваа студија, користени се електрополирани плочи од нерѓосувачки челик (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) со дебелина од 0,8 mm.За да се отстранат сите загадувачи од површината, примероците беа внимателно измиени со етанол пред ласерска обработка (апсолутна концентрација на етанол \(\ge\) 99,9%).
Поставувањето DLIP е прикажано на слика 4. Примероците се конструирани со помош на систем DLIP опремен со ултракраток импулсен ласерски извор од 12 ps со бранова должина од 532 nm и максимална брзина на повторување од 50 MHz.Просторната распределба на енергијата на зракот е Гаусова.Специјално дизајнираната оптика обезбедува интерферометриска конфигурација со двоен зрак за да се создадат линеарни структури на примерокот.Објектив со фокусна должина од 100 mm поставува два дополнителни ласерски зраци на површината под фиксен агол од 6,8\(^\circ\), што дава просторен период од околу 4,5 µm.Повеќе информации за експерименталното поставување може да најдете на друго место50.
Пред ласерска обработка, примерокот се става на грејна плоча на одредена температура.Температурата на грејната плоча беше поставена на 21 и 250°C.Во сите експерименти, попречен млаз од компримиран воздух се користел во комбинација со уред за издувни гасови за да се спречи таложење прашина на оптиката.Се поставува систем x, y фаза за да се позиционира примерокот за време на структурирањето.
Брзината на системот на етапата за позиционирање се менуваше од 66 до 200 mm/s за да се добие преклопување помеѓу пулсирањата од 99,0 до 99,67 \(\%\), соодветно.Во сите случаи, брзината на повторување беше фиксирана на 200 kHz, а просечната моќност беше 4 W, што даваше енергија по пулс од 20 μJ.Дијаметарот на зракот што се користи во експериментот DLIP е околу 100 µm, а добиената максимална густина на ласерската енергија е 0,5 J/cm\(^{2}\).Вкупната ослободена енергија по единица површина е максималниот кумулативен проток што одговара на 50 J/cm\(^2\) за \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) за \(o_{\mathrm {p))\)=99,5 \(\%\) и 150 J/cm\(^2\) за \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Користете ја плочата \(\ламбда\)/2 за да ја промените поларизацијата на ласерскиот зрак.За секој сет на употребени параметри, на примерокот е текстурирана површина од приближно 35 × 5 mm\(^{2}\).Сите структурирани експерименти беа спроведени во амбиентални услови за да се обезбеди индустриска применливост.
Морфологијата на примероците беше испитана со помош на конфокален микроскоп со 50x зголемување и оптичка и вертикална резолуција од 170 nm и 3 nm, соодветно.Собраните топографски податоци потоа беа евалуирани со помош на софтвер за анализа на површината.Извадете профили од податоци за теренот според ISO 1661051.
Примероците исто така беа карактеризирани со помош на електронски микроскоп за скенирање на забрзувачки напон од 6,0 kV.Хемискиот состав на површината на примероците беше оценет со помош на додаток за енергетско дисперзивна спектроскопија на Х-зраци (EDS) на забрзувачки напон од 15 kV.Дополнително, беше употребен оптички микроскоп со објектив од 50x за одредување на зрнетата морфологија на микроструктурата на примероците. Пред тоа, примероците беа гравирани на константна температура од 50 \(^\circ\)C пет минути во дамка од не'рѓосувачки челик со концентрација на хлороводородна киселина и азотна киселина од 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \(\%\), соодветно. Пред тоа, примероците беа гравирани на константна температура од 50 \(^\circ\)C пет минути во дамка од не'рѓосувачки челик со концентрација на хлороводородна киселина и азотна киселина од 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \(\%\), соодветно. Перед етим 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 \%\) советственно. Пред тоа, примероците беа гравирани на константна температура од 50 \(^\circ\)C пет минути во боја од нерѓосувачки челик со хлороводородна и азотна киселина со концентрација од 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \( \%\) соодветно.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，盐酸咟\1% ) 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。Пред тоа, примероците се кисеа пет минути на константна температура од 50 \(^\circ\)C во раствор за боење за нерѓосувачки челик со концентрација на хлороводородна и азотна киселина 15-20 \(\%\) и 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) соодветно.
Шематски дијаграм на експерименталното поставување на поставување DLIP со два зраци, вклучувајќи (1) ласерски зрак, (2) плоча \(\ламбда\)/2, (3) глава DLIP со одредена оптичка конфигурација, (4 ) топла плоча, (5) вкрстена течност, (6) чекори за позиционирање x,y и (7) примероци од нерѓосувачки челик.Два надредени зраци, заокружени во црвено лево, создаваат линеарни структури на примерокот под аглите \(2\theta\) (вклучувајќи и s- и p-поларизација).
Збирките на податоци што се користат и/или анализирани во тековната студија се достапни од соодветните автори на разумно барање.
Време на објавување: Јан-07-2023 година