Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
Прамая лазерная інтэрферэнцыя (DLIP) у спалучэнні з перыядычнай структурай паверхні, выкліканай лазерам (LIPSS), дазваляе ствараць функцыянальныя паверхні для розных матэрыялаў.Прапускная здольнасць працэсу звычайна павялічваецца пры выкарыстанні больш высокай сярэдняй магутнасці лазера.Аднак гэта прыводзіць да назапашвання цяпла, што ўплывае на шурпатасць і форму атрыманага малюнка паверхні.Такім чынам, неабходна дэталёва вывучыць уплыў тэмпературы падкладкі на марфалогію вырабленых элементаў.У гэтым даследаванні сталёвая паверхня мела лінейны ўзор з дапамогай ps-DLIP пры 532 нм.Каб даследаваць уплыў тэмпературы падкладкі на атрыманы рэльеф, для кантролю тэмпературы выкарыстоўвалася награвальная пласціна.Награванне да 250 \(^{\circ }\)С прывяло да значнага памяншэння глыбіні ўтвораных структур з 2,33 да 1,06 мкм.Зніжэнне было звязана са з'яўленнем розных тыпаў LIPSS у залежнасці ад арыентацыі зерняў падкладкі і акіслення паверхні, выкліканага лазерам.Гэта даследаванне паказвае моцны ўплыў тэмпературы падкладкі, які таксама чакаецца, калі апрацоўка паверхні праводзіцца пры высокай сярэдняй магутнасці лазера для стварэння эфектаў назапашвання цяпла.
Метады апрацоўкі паверхні, заснаваныя на ультракароткіх імпульсах лазернага апраменьвання, знаходзяцца ў авангардзе навукі і прамысловасці дзякуючы іх здольнасці паляпшаць уласцівасці паверхні найбольш важных адпаведных матэрыялаў1.У прыватнасці, карыстальніцкая функцыянальнасць паверхні, выкліканая лазерам, з'яўляецца самай сучаснай для шырокага спектру прамысловых сектараў і сцэнарыяў прымянення1,2,3.Напрыклад, Vercillo et al.Супрацьабледзяняльныя ўласцівасці былі прадэманстраваны на тытанавых сплавах для аэракасмічнага прымянення на аснове выкліканай лазерам супергідрафобнасці.Epperlein і інш паведамілі, што нанапамерныя асаблівасці, атрыманыя лазерным структураваннем паверхні, могуць уплываць на рост або інгібіраванне біяплёнкі на ўзорах сталі5.Акрамя таго, Guai і соавт.таксама палепшыў аптычныя ўласцівасці арганічных сонечных элементаў.6 Такім чынам, лазернае структураванне дазваляе вырабляць структурныя элементы з высокім разрозненнем шляхам кантраляванай абляцыі матэрыялу паверхні1.
Прыдатнай методыкай лазернага структуравання для стварэння такіх перыядычных павярхоўных структур з'яўляецца фармаванне з прамой лазернай інтэрферэнцыяй (DLIP).DLIP заснаваны на прыпавярхоўнай інтэрферэнцыі двух або больш лазерных прамянёў для фарміравання ўзорных паверхняў з характарыстыкамі ў мікраметровым і нанаметровым дыяпазоне.У залежнасці ад колькасці і палярызацыі лазерных прамянёў DLIP можа распрацоўваць і ствараць шырокі спектр тапаграфічных структур паверхні.Перспектыўным падыходам з'яўляецца спалучэнне структур DLIP з перыядычнымі павярхоўнымі структурамі, выкліканымі лазерам (LIPSS), для стварэння рэльефу паверхні са складанай структурнай іерархіяй8,9,10,11,12.У прыродзе было паказана, што гэтыя іерархіі забяспечваюць нават лепшую прадукцыйнасць, чым аднамаштабныя мадэлі13.
Функцыя LIPSS падвяргаецца працэсу самаўзмацнення (станоўчая зваротная сувязь), заснаванаму на ўзрастаючай прыпаверхневай мадуляцыі размеркавання інтэнсіўнасці выпраменьвання.Гэта звязана з павелічэннем нанашурпатасці па меры павелічэння колькасці прыкладзеных лазерных імпульсаў 14, 15, 16. Мадуляцыя адбываецца ў асноўным з-за інтэрферэнцыі выпраменьванай хвалі з электрамагнітным полем 15,17,18,19,20,21 праламленага і кампаненты рассеянай хвалі або паверхневыя плазмоны.На фарміраванне LIPSS таксама ўплывае час імпульсаў22,23.У прыватнасці, больш высокая сярэдняя магутнасць лазера неабходная для высокапрадукцыйнай апрацоўкі паверхні.Гэта звычайна патрабуе выкарыстання высокай частаты паўтарэння, гэта значыць у дыяпазоне МГц.Такім чынам, прамежак часу паміж лазернымі імпульсамі карацей, што прыводзіць да эфектаў назапашвання цяпла 23, 24, 25, 26. Гэты эфект прыводзіць да агульнага павышэння тэмпературы паверхні, што можа істотна паўплываць на механізм фарміравання малюнка падчас лазернай абляцыі.
У папярэдняй працы Рудэнка і соавт.і Цыбідзіс і інш.Абмяркоўваецца механізм фарміравання канвектыўных структур, які павінен станавіцца ўсё больш важным па меры павелічэння назапашвання цяпла19,27.Акрамя таго, Bauer et al.Суаднясіце крытычную колькасць назапашвання цяпла з мікроннымі структурамі паверхні.Нягледзячы на гэты тэрмічна індукаваны працэс утварэння структуры, звычайна лічыцца, што прадукцыйнасць працэсу можна палепшыць, проста павялічыўшы частату паўтарэння28.Хоць гэтага, у сваю чаргу, немагчыма дасягнуць без значнага павелічэння цеплазапасу.Такім чынам, стратэгіі працэсаў, якія забяспечваюць шматузроўневую тапалогію, могуць быць непрыдатнымі для больш высокай частаты паўтарэння без змены кінетыкі працэсу і фарміравання структуры9,12.У сувязі з гэтым вельмі важна даследаваць, як тэмпература падкладкі ўплывае на працэс фарміравання DLIP, асабліва пры стварэнні слаістай паверхні з-за адначасовага фарміравання LIPSS.
Мэта гэтага даследавання складалася ў тым, каб ацаніць уплыў тэмпературы падкладкі на атрыманы рэльеф паверхні падчас DLIP-апрацоўкі нержавеючай сталі з дапамогай імпульсаў ps.Падчас лазернай апрацоўкі тэмпература падкладкі ўзору была даведзена да 250 \(^\circ\)C з дапамогай награвальнай пласціны.Атрыманыя структуры паверхні былі ахарактарызаваны з дапамогай канфакальнай мікраскапіі, растравай электроннай мікраскапіі і энергадысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі.
У першай серыі эксперыментаў сталёвая падкладка апрацоўвалася з выкарыстаннем двухпрамянёвай канфігурацыі DLIP з прасторавым перыядам 4,5 мкм і тэмпературай падкладкі \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, у далейшым «неацяпляемая» паверхня.У гэтым выпадку накладанне імпульсаў \(o_{\mathrm {p}}\) — гэта адлегласць паміж двума імпульсамі як функцыя памеру плямы.Яна вар'іруецца ад 99,0% (100 імпульсаў на пазіцыю) да 99,67% (300 імпульсаў на пазіцыю).Ва ўсіх выпадках выкарыстоўвалася пікавая шчыльнасць энергіі \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 Дж/см\(^2\) (для гаўсаўскага эквіваленту без перашкод) і частата паўтарэння f = 200 кГц.Кірунак палярызацыі лазернага прамяня паралельны руху пазіцыянуючага стала (мал. 1а)), які паралельны кірунку лінейнай геаметрыі, створанай двухпрамянёвай інтэрферэнцыйнай карцінай.Рэпрэзентатыўныя выявы атрыманых структур з дапамогай сканавальнага электроннага мікраскопа (SEM) паказаны на мал.1а–в.Каб падтрымаць аналіз SEM-малюнкаў з пункту гледжання тапаграфіі, на структурах, якія ацэньваюцца, былі выкананы пераўтварэнні Фур'е (FFT, паказаныя цёмнымі ўстаўкамі).Ва ўсіх выпадках выніковая геаметрыя DLIP была бачная з прасторавым перыядам 4,5 мкм.
Для выпадку \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% у больш цёмнай вобласці мал.1а, адпаведнае становішчу інтэрферэнцыйнага максімуму, можна назіраць баразёнкі, якія змяшчаюць меншыя паралельныя структуры.Яны чаргуюцца з больш яркімі палосамі, пакрытымі рэльефам, падобным на наначасціцы.Паколькі паралельная структура паміж баразёнкамі выглядае перпендыкулярнай палярызацыі лазернага прамяня і мае перыяд \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) нм, нязначна менш даўжыні хвалі лазера \(\лямбда\) (532 нм) можна назваць LIPSS з нізкай прасторавай частатой (LSFL-I)15,18.LSFL-I стварае так званы сігнал s-тыпу ў БПФ, «s» рассейванне15,20.Такім чынам, сігнал перпендыкулярны моцнаму цэнтральнаму вертыкальнаму элементу, які, у сваю чаргу, генеруецца структурай DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\прыблізна\) 4,5 мкм).Сігнал, які генеруецца лінейнай структурай шаблону DLIP у выяве FFT, называецца «тыпам DLIP».
SEM выявы павярхоўных структур, створаныя з дапамогай DLIP.Пікавая шчыльнасць энергіі \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 Дж/см\(^2\) (для эквіваленту Гаўса без шумоў) і частата паўтарэння f = 200 кГц.Выявы паказваюць тэмпературу ўзору, палярызацыю і накладанне.Рух фазы лакалізацыі пазначаны чорнай стрэлкай у (а).Чорная ўстаўка паказвае адпаведнае БПФ, атрыманае з выявы SEM 37,25\(\times\)37,25 мкм (паказана, пакуль хвалевы вектар не стане \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 нм).Параметры працэсу пазначаны на кожным малюнку.
Гледзячы далей на малюнак 1, можна ўбачыць, што па меры павелічэння перакрыцця \(o_{\mathrm {p}}\) сігмаідны сігнал больш канцэнтруецца ў напрамку восі х БПФ.Астатняя частка LSFL-I, як правіла, больш паралельная.Акрамя таго, знізілася адносная інтэнсіўнасць сігналу s-тыпу і павялічылася інтэнсіўнасць сігналу тыпу DLIP.Гэта звязана з усё больш выяўленымі траншэямі з большым перакрыццем.Акрамя таго, сігнал па восі X паміж тыпам s і цэнтрам павінен паступаць ад структуры з той жа арыентацыяй, што і LSFL-I, але з больш доўгім перыядам (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\прыблізна \ ) 1,4 ± 0,2 мкм), як паказана на малюнку 1c).Таму мяркуецца, што іх утварэнне ўяўляе сабой малюнак ям у цэнтры траншэі.Новая функцыя таксама з'яўляецца ў дыяпазоне высокіх частот (вялікі хвалевы лік) ардынаты.Сігнал паступае ад паралельнай рабізны на схілах траншэі, хутчэй за ўсё з-за інтэрферэнцыі падаючага і адлюстраванага наперад святла на схілах9,14.У далейшым гэтыя пульсацыі пазначаюцца LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \), а іх сігналы – тыпам -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
У наступным эксперыменце тэмпература ўзору была даведзена да 250 °C пад так званай «нагрэтай» паверхняй.Структураванне было праведзена ў адпаведнасці з той жа стратэгіяй апрацоўкі, што і эксперыменты, згаданыя ў папярэднім раздзеле (мал. 1a-1c).Выявы SEM адлюстроўваюць атрыманую тапаграфію, як паказана на мал. 1d–f.Награванне ўзору да 250 C прыводзіць да ўзмацнення з'яўлення LSFL, кірунак якога паралельна лазернай палярызацыі.Гэтыя структуры можна ахарактарызаваць як LSFL-II і маюць прасторавы перыяд \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) 247 ± 35 нм.Сігнал LSFL-II не адлюстроўваецца ў FFT з-за высокай частаты рэжыму.Па меры павелічэння \(o_{\mathrm {p}}\) з 99,0 да 99,67\(\%\) (мал. 1d–e) шырыня вобласці яркай паласы павялічвалася, што прывяло да з'яўлення сігналу DLIP для больш чым высокіх частот.хвалевыя лікі (ніжнія частоты) і, такім чынам, зрушваюцца да цэнтра БПФ.Шэрагі ям на мал. 1d могуць быць папярэднікамі так званых баразёнак, утвораных перпендыкулярна LSFL-I22,27.Акрамя таго, здаецца, што LSFL-II стаў карацейшым і няправільнай формы.Адзначым таксама, што сярэдні памер яркіх палос з марфалогіяй наназерняў у гэтым выпадку меншы.Акрамя таго, размеркаванне памераў гэтых наначасціц аказалася менш дысперсным (або прывяло да меншай агламерацыі часціц), чым без награвання.Якасна гэта можна ацаніць, параўнаўшы малюнкі 1а, г або б, д адпаведна.
Калі перакрыцце \(o_{\mathrm {p}}\) павялічвалася да 99,67% (мал. 1f), паступова з'яўляўся выразны рэльеф з-за ўсё больш відавочных баразён.Аднак гэтыя баразёнкі выглядаюць менш упарадкаванымі і менш глыбокімі, чым на мал. 1c.Нізкі кантраст паміж светлымі і цёмнымі ўчасткамі выявы паказвае на якасць.Гэтыя вынікі дадаткова пацвярджаюцца больш слабым і больш рассеяным сігналам ардынаты БПФ на мал. 1f у параўнанні з БПФ на c.Меншыя стрыі таксама былі відавочныя пры награванні пры параўнанні малюнкаў 1b і e, што пазней было пацверджана канфакальнай мікраскапіяй.
У дадатак да папярэдняга эксперыменту палярызацыю лазернага прамяня павярнулі на 90 \(^{\circ}\), што прывяло да таго, што кірунак палярызацыі зрушыўся перпендыкулярна платформе пазіцыянавання.На мал.2a-c паказваюць раннія стадыі фарміравання структуры, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% у ненагрэтым (a), нагрэтым (b) і нагрэтым 90\(^{\ circ }\ ) – Выпадак з паваротнай палярызацыяй (с).Каб візуалізаваць нанатапаграфію структур, вобласці, пазначаныя каляровымі квадратамі, паказаны на мал.2г, у павялічаным маштабе.
SEM выявы павярхоўных структур, створаныя з дапамогай DLIP.Параметры працэсу такія ж, як на мал.1.Выява паказвае тэмпературу ўзору \(T_s\), палярызацыю і накладанне імпульсаў \(o_\mathrm {p}\).Чорная ўстаўка зноў паказвае адпаведнае пераўтварэнне Фур'е.Выявы ў (d)-(i) з'яўляюцца павелічэннямі пазначаных абласцей у (a)-(c).
У гэтым выпадку відаць, што структуры ў больш цёмных абласцях на мал. 2b,c адчувальныя да палярызацыі і таму пазначаны LSFL-II14, 20, 29, 30. Характэрна, што арыентацыя LSFL-I таксама паварочваецца ( Мал. 2g, i), што відаць з арыентацыі сігналу s-тыпу ў адпаведным БПФ.Прапускная здольнасць перыяду LSFL-I здаецца большай у параўнанні з перыядам b, і яе дыяпазон зрушаны ў бок меншых перыядаў на мал. 2c, як паказвае больш распаўсюджаны сігнал s-тыпу.Такім чынам, наступны прасторавы перыяд LSFL можна назіраць на ўзоры пры розных тэмпературах нагрэву: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) нм пры 21 ^{ \circ }\ )C (мал. 2а), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 нм і \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 нм пры 250°C (мал. 2b) для s-палярызацыі.Наадварот, прасторавы перыяд р-палярызацыі і 250 \(^{\circ }\)C роўны \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) нм і \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 нм (мал. 2в).
Характэрна, што вынікі паказваюць, што толькі пры павышэнні тэмпературы ўзору марфалогія паверхні можа пераключацца паміж дзвюма крайнасцямі, уключаючы (i) паверхню, якая змяшчае толькі элементы LSFL-I, і (ii) вобласць, пакрытую LSFL-II.Паколькі адукацыя гэтага канкрэтнага тыпу LIPSS на металічных паверхнях звязана з павярхоўнымі аксіднымі пластамі, быў праведзены энергадысперсійны рэнтгенаўскі аналіз (EDX).Табліца 1 абагульняе атрыманыя вынікі.Кожнае вызначэнне праводзіцца шляхам усреднения не менш чатырох спектраў у розных месцах на паверхні апрацоўванага ўзору.Вымярэнні праводзяцца пры розных тэмпературах узораў \(T_\mathrm{s}\) і розных месцах паверхні ўзору, якая змяшчае неструктураваныя або структураваныя ўчасткі.Вымярэнні таксама ўтрымліваюць інфармацыю аб больш глыбокіх неакісленых пластах, якія ляжаць непасрэдна пад апрацаванай расплаўленай зонай, але ў межах глыбіні пранікнення электронаў аналізу EDX.Аднак варта адзначыць, што EDX абмежаваны ў здольнасці колькасна вызначаць утрыманне кіслароду, таму гэтыя значэнні тут могуць даць толькі якасную ацэнку.
Неапрацаваныя порцыі ўзораў не паказалі значнай колькасці кіслароду пры ўсіх працоўных тэмпературах.Пасля лазернага лячэння ўзровень кіслароду павышаўся ва ўсіх выпадках31.Розніца ў элементарным складзе паміж двума неапрацаванымі ўзорамі была такой, як чакалася для камерцыйных узораў сталі, і былі знойдзены значна больш высокія значэнні вугляроду ў параўнанні з дадзенымі вытворцы для сталі AISI 304 з-за забруджвання вуглевадародамі32.
Перш чым абмяркоўваць магчымыя прычыны памяншэння глыбіні абляцыі баразёнак і пераходу ад LSFL-I да LSFL-II, выкарыстоўваюцца профілі спектральнай шчыльнасці магутнасці (PSD) і вышыні.
(i) Квазідвухмерная нармалізаваная спектральная шчыльнасць магутнасці (Q2D-PSD) паверхні паказана ў выглядзе SEM-малюнкаў на малюнках 1 і 2. 1 і 2. Паколькі PSD нармалізавана, памяншэнне сумарнага сігналу павінна быць разумеецца як павелічэнне пастаяннай часткі (k \(\le\) 0,7 мкм\(^{-1}\), не паказана), г.зн. гладкасць.(II) Адпаведны сярэдні профіль вышыні паверхні.Тэмпература выбаркі \(T_s\), перакрыцце \(o_{\mathrm {p}}\) і лазерная палярызацыя E адносна арыентацыі \(\vec {v}\) руху пазіцыянуючай платформы паказаны на ўсіх графіках.
Для колькаснай ацэнкі ўражання ад SEM-малюнкаў быў сфарміраваны сярэдні нармалізаваны спектр магутнасці як мінімум з трох SEM-малюнкаў для кожнага набору параметраў шляхам асераднення ўсіх аднамерных (1D) спектральных шчыльнасцей магутнасці (PSD) у кірунку x або y.Адпаведны графік паказаны на мал. 3i, які паказвае зрух частоты сігналу і яго адносны ўклад у спектр.
На мал.3ia, c, e, пік DLIP расце каля \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 мкм)\(^{-1}\) = 1,4 мкм \ ( ^{- 1}\) або адпаведныя вышэйшыя гармонікі па меры павелічэння перакрыцця \(o_{\mathrm {p))\).Павелічэнне асноўнай амплітуды было звязана з больш моцным развіццём структуры LRIB.Амплітуда вышэйшых гармонік павялічваецца з ростам крутасці схілу.Для прамавугольных функцый як лімітавых выпадкаў апраксімацыя патрабуе найбольшай колькасці частот.Такім чынам, пік каля 1,4 мкм\(^{-1}\) у PSD і адпаведныя гармонікі могуць быць выкарыстаны ў якасці параметраў якасці для формы канаўкі.
Наадварот, як паказана на мал. 3(i)b,d,f, PSD нагрэтага ўзору паказвае больш слабыя і шырокія пікі з меншым сігналам у адпаведных гармоніках.Акрамя таго, на мал.3(i)f паказвае, што другі гарманічны сігнал нават перавышае асноўны сігнал.Гэта адлюстроўвае больш нерэгулярную і менш выяўленую структуру DLIP нагрэтага ўзору (у параўнанні з \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Яшчэ адна асаблівасць заключаецца ў тым, што па меры павелічэння перакрыцця \(o_{\mathrm {p}}\) выніковы сігнал LSFL-I ссоўваецца ў бок меншага хвалевага ліку (больш працяглы перыяд).Гэта можна растлумачыць павелічэннем крутасці краёў рэжыму DLIP і звязаным з гэтым мясцовым павелічэннем вугла падзення14,33.Пасля гэтай тэндэнцыі можна таксама растлумачыць пашырэнне сігналу LSFL-I.У дадатак да стромкіх схілаў ёсць таксама плоскія ўчасткі на дне і над грэбнямі структуры DLIP, што дазваляе выкарыстоўваць больш шырокі дыяпазон перыядаў LSFL-I.Для моцна ўбіраючых матэрыялаў перыяд LSFL-I звычайна ацэньваецца як:
дзе \(\theta\) - вугал падзення, а індэксы s і p адносяцца да розных палярызацый33.
Варта адзначыць, што плоскасць падзення для ўстаноўкі DLIP звычайна перпендыкулярная руху платформы пазіцыянавання, як паказана на малюнку 4 (гл. раздзел Матэрыялы і метады).Таму s-палярызацыя, як правіла, паралельная руху стадыі, а р-палярызацыя — перпендыкулярна ёй.Згодна з раўнаннем.(1), для s-палярызацыі чакаецца распаўсюджванне і зрух сігналу LSFL-I у бок меншых хвалевых лікаў.Гэта звязана з павелічэннем \(\theta\) і вуглавога дыяпазону \(\theta \pm \delta \theta\) па меры павелічэння глыбіні траншэі.Гэта можна ўбачыць, параўноўваючы пікі LSFL-I на мал. 3ia,c,e.
У адпаведнасці з вынікамі, паказанымі на мал.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) таксама бачны ў адпаведным PSD на мал.3г.зн.На мал.3ig,h паказвае PSD для р-палярызацыі.Розніца ў піках DLIP больш прыкметная паміж нагрэтымі і ненагрэтымі ўзорамі.У гэтым выпадку сігнал ад LSFL-I перакрываецца з вышэйшымі гармонікамі піка DLIP, дадаючыся да сігналу каля даўжыні хвалі генерацыі.
Каб абмеркаваць вынікі больш падрабязна, на мал. 3ii паказана структурная глыбіня і перакрыцце паміж імпульсамі лінейнага размеркавання вышыні DLIP пры розных тэмпературах.Вертыкальны профіль вышыні паверхні быў атрыманы шляхам асераднення дзесяці асобных вертыкальных профіляў вышыні вакол цэнтра структуры DLIP.Для кожнай прымененай тэмпературы глыбіня структуры павялічваецца з павелічэннем перакрыцця імпульсаў.Профіль нагрэтага ўзору паказвае баразёнкі з сярэднімі значэннямі ад піку да піку (pvp) 0,87 мкм для s-палярызацыі і 1,06 мкм для p-палярызацыі.Наадварот, s-палярызацыя і p-палярызацыя ненагрэтага ўзору паказваюць pvp 1,75 мкм і 2,33 мкм адпаведна.Адпаведны пвп намаляваны ў профілі вышыні на мал.3ii.Кожнае сярэдняе значэнне PvP разлічваецца шляхам усярэдніння васьмі асобных PvP.
Акрамя таго, на мал.3iig,h паказвае размеркаванне вышыні р-палярызацыі перпендыкулярна сістэме пазіцыянавання і руху канаўкі.Кірунак р-палярызацыі станоўча ўплывае на глыбіню баразёнкі, паколькі прыводзіць да крыху большага pvp пры 2,33 мкм у параўнанні з s-палярізацыяй пры 1,75 мкм pvp.Гэта, у сваю чаргу, адпавядае пазам і руху сістэмы пазіцыянавання платформы.Гэты эфект можа быць выкліканы меншай структурай у выпадку s-палярызацыі ў параўнанні з выпадкам p-палярызацыі (гл. мал. 2f,h), якая будзе абмяркоўвацца далей у наступным раздзеле.
Мэта абмеркавання - растлумачыць памяншэнне глыбіні канаўкі з-за змены асноўнага класа LIPS (LSFL-I на LSFL-II) у выпадку нагрэтых узораў.Такім чынам, адкажыце на наступныя пытанні:
Каб адказаць на першае пытанне, неабходна разгледзець механізмы, адказныя за памяншэнне абляцыі.Для аднаго імпульсу пры нармальным падзенні глыбіня абляцыі можа быць апісана як:
дзе \(\delta _{\mathrm {E}}\) — глыбіня пранікнення энергіі, \(\Phi\) і \(\Phi _{\mathrm {th}}\) — плынь паглынання і плынь абляцыі парог адпаведна34 .
Матэматычна глыбіня пранікнення энергіі аказвае мультыплікатыўны ўплыў на глыбіню абляцыі, у той час як змяненне энергіі мае лагарыфмічны эфект.Такім чынам, змены плыні не ўплываюць на \(\Delta z\), пакуль \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Аднак моцнае акісленне (напрыклад, з-за ўтварэння аксіду хрому) прыводзіць да больш моцных сувязяў Cr-O35 у параўнанні з сувязямі Cr-Cr, тым самым павялічваючы парог абляцыі.Такім чынам, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) больш не выконваецца, што прыводзіць да хуткага памяншэння глыбіні абляцыі з памяншэннем шчыльнасці патоку энергіі.Акрамя таго, вядомая карэляцыя паміж ступенню акіслення і перыядам LSFL-II, якую можна растлумачыць зменамі ў самой нанаструктуры і аптычных уласцівасцях паверхні, выкліканых акісленнем паверхні30,35.Такім чынам, дакладнае размеркаванне плыні паглынання \(\Phi\) на паверхні абумоўлена складанай дынамікай узаемадзеяння паміж структурным перыядам і таўшчынёй аксіднага пласта.У залежнасці ад перыяду, нанаструктура моцна ўплывае на размеркаванне паглынутага патоку энергіі з-за рэзкага павелічэння поля, узбуджэння паверхневых плазмонаў, экстраардынарнай перадачы святла або рассейвання17,19,20,21.Такім чынам, \(\Phi\) моцна неаднародны паблізу паверхні, і \(\delta _ {E}\), верагодна, больш немагчымы з адным каэфіцыентам паглынання \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) для ўсяго прыпаверхневага аб'ёму.Паколькі таўшчыня аксіднай плёнкі ў значнай ступені залежыць ад часу застывання [26], наменклатурны эфект залежыць ад тэмпературы ўзору.Аптычныя мікрафатаграфіі, паказаныя на малюнку S1 у Дадатковым матэрыяле, паказваюць змены ў аптычных уласцівасцях.
Гэтыя эфекты часткова тлумачаць меншую глыбіню траншэі ў выпадку невялікіх паверхневых структур на малюнках 1d,e і 2b,c і 3(ii)b,d,f.
Вядома, што LSFL-II утвараецца на паўправадніках, дыэлектрыках і матэрыялах, схільных да акіслення14,29,30,36,37.У апошнім выпадку асабліва важная таўшчыня павярхоўнага аксіднага пласта30.Праведзены аналіз EDX выявіў адукацыю паверхневых аксідаў на структураванай паверхні.Такім чынам, для ненагрэтых узораў кісларод навакольнага асяроддзя, здаецца, спрыяе частковаму ўтварэнню газападобных часціц і часткова ўтварэнню паверхневых аксідаў.Абедзве з'явы ўносяць значны ўклад у гэты працэс.Наадварот, для нагрэтых узораў аксіды металаў розных ступеняў акіслення (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO і г.д.) відавочна 38 за.У дадатак да неабходнага аксіднага пласта, наяўнасць субхвалевай шурпатасці, у асноўным высокай прасторавай частоты LIPSS (HSFL), неабходная для фарміравання неабходных субхвалевых (d-тыпу) рэжымаў інтэнсіўнасці14,30.Канчатковы рэжым інтэнсіўнасці LSFL-II з'яўляецца функцыяй амплітуды HSFL і таўшчыні аксіду.Прычынай гэтага рэжыму з'яўляецца інтэрферэнцыя ў далёкім полі святла, рассеянага HSFL, і святла, якое праламляецца ў матэрыял і распаўсюджваецца ўнутры павярхоўнага дыэлектрычнага матэрыялу20,29,30.SEM выявы краю павярхоўнага ўзору на малюнку S2 у раздзеле дадатковых матэрыялаў сведчаць аб ужо існуючай HSFL.На гэтую знешнюю вобласць слаба ўплывае перыферыя размеркавання інтэнсіўнасці, што дазваляе ўтварыць HSFL.З-за сіметрыі размеркавання інтэнсіўнасці гэты эфект таксама мае месца ўздоўж напрамку сканавання.
Награванне ўзору ўплывае на працэс фарміравання LSFL-II некалькімі спосабамі.З аднаго боку, павышэнне тэмпературы ўзору \(T_\mathrm{s}\) мае значна большы ўплыў на хуткасць застывання і астуджэння, чым таўшчыня расплаўленага пласта26.Такім чынам, мяжа вадкасці нагрэтага ўзору падвяргаецца ўздзеянню кіслароду навакольнага асяроддзя на працягу больш доўгага перыяду часу.Акрамя таго, запаволенае застыванне дазваляе развіваць складаныя канвектыўныя працэсы, якія павялічваюць змешванне кіслароду і аксідаў з вадкай сталлю26.Гэта можна прадэманстраваць, параўнаўшы таўшчыню аксіднага пласта, утворанага толькі дыфузіяй (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) нм) Адпаведны час каагуляцыі \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) нс, а каэфіцыент дыфузіі \(D~\le\) 10\(^{-5}\) см\(^ 2 \ )/ s) Значна большая таўшчыня назіралася або патрабавалася ў фармацыі LSFL-II30.З іншага боку, награванне таксама ўплывае на фарміраванне HSFL і, такім чынам, на рассейвальныя аб'екты, неабходныя для пераходу ў рэжым інтэнсіўнасці d-тыпу LSFL-II.Выкрыццё нанаваідаў, якія апынуліся пад паверхняй, сведчыць аб іх удзеле ў фарміраванні HSFL39.Гэтыя дэфекты могуць прадстаўляць электрамагнітнае паходжанне HSFL з-за неабходных высокачашчынных перыядычных шаблонаў інтэнсіўнасці 14,17,19,29.Акрамя таго, гэтыя згенераваныя рэжымы інтэнсіўнасці з'яўляюцца больш аднастайнымі з вялікай колькасцю нанаваід19.Такім чынам, прычыну павелічэння частоты HSFL можна растлумачыць змяненнем дынамікі дэфектаў крышталя пры павелічэнні \(T_\mathrm{s}\).
Нядаўна было паказана, што хуткасць астуджэння крэмнію з'яўляецца ключавым параметрам для ўнутранага міжтканкавага перанасычэння і, такім чынам, для назапашвання кропкавых дэфектаў з адукацыяй дыслакацый 40,41.Малекулярна-дынамічнае мадэляванне чыстых металаў паказала, што вакансіі перанасычаюцца падчас хуткай перакрышталізацыі, і, такім чынам, назапашванне вакансій у металах адбываецца падобным чынам42,43,44.Акрамя таго, апошнія эксперыментальныя даследаванні срэбра былі сканцэнтраваны на механізме адукацыі пустэч і кластараў з-за назапашвання кропкавых дэфектаў45.Такім чынам, павышэнне тэмпературы ўзору \(T_\mathrm {s}\) і, як следства, памяншэнне хуткасці астуджэння можа паўплываць на адукацыю пустэч, якія з'яўляюцца зародкамі HSFL.
Калі вакансіі з'яўляюцца неабходнымі папярэднікамі паражнін і, такім чынам, HSFL, тэмпература ўзору \(T_s\) павінна мець два эфекты.З аднаго боку, \(T_s\) уплывае на хуткасць рэкрышталізацыі і, адпаведна, на канцэнтрацыю кропкавых дэфектаў (канцэнтрацыю вакансій) у вырашчаным крышталі.З іншага боку, гэта таксама ўплывае на хуткасць астуджэння пасля застывання, тым самым уплываючы на дыфузію кропкавых дэфектаў у крышталі 40,41.Акрамя таго, хуткасць зацвярдзення залежыць ад крышталяграфічнай арыентацыі і, такім чынам, вельмі анізатропная, як і дыфузія кропкавых дэфектаў42,43.Згодна з гэтай перадумовай, з-за анізатропнай рэакцыі матэрыялу ўзаемадзеянне святла і матэрыі становіцца анізатропным, што, у сваю чаргу, узмацняе гэты дэтэрмінаваны перыядычны выкід энергіі.Для полікрышталічных матэрыялаў гэта паводзіны можа быць абмежавана памерам аднаго збожжа.Фактычна было прадэманстравана фарміраванне LIPSS у залежнасці ад арыентацыі збожжа46,47.Такім чынам, уплыў тэмпературы ўзору \(T_s\) на хуткасць крышталізацыі можа быць не такім моцным, як уплыў арыентацыі збожжа.Такім чынам, розная крышталяграфічная арыентацыя розных зерняў дае магчымае тлумачэнне павелічэння пустэч і агрэгацыі HSFL або LSFL-II адпаведна.
Каб удакладніць першапачатковыя прыкметы гэтай гіпотэзы, неапрацаваныя ўзоры былі вытраўлены, каб выявіць адукацыю збожжа блізка да паверхні.Параўнанне зерняў на мал.S3 паказаны ў дадатковых матэрыялах.Акрамя таго, LSFL-I і LSFL-II з'явіліся ў групах на нагрэтых узорах.Памер і геаметрыя гэтых кластараў адпавядаюць памеру збожжа.
Больш за тое, HSFL сустракаецца толькі ў вузкім дыяпазоне пры нізкай шчыльнасці патоку з-за канвектыўнага паходжання19,29,48.Такім чынам, у эксперыментах гэта, верагодна, адбываецца толькі на перыферыі профілю пучка.Такім чынам, HSFL утварыўся на неакісленых або слаба акісленых паверхнях, што стала відавочным пры параўнанні фракцый аксідаў апрацаваных і неапрацаваных узораў (гл. табліцу reftab: прыклад).Гэта пацвярджае здагадку, што аксідны пласт у асноўным індукаваны лазерам.
Улічваючы, што фарміраванне LIPSS звычайна залежыць ад колькасці імпульсаў з-за зваротнай сувязі паміж імпульсамі, HSFL могуць быць заменены больш буйнымі структурамі па меры павелічэння перакрыцця імпульсаў19.Менш рэгулярны HSFL прыводзіць да менш рэгулярнага ўзору інтэнсіўнасці (d-рэжыму), неабходнага для фарміравання LSFL-II.Такім чынам, па меры павелічэння перакрыцця \(o_\mathrm {p}\) (гл. мал. 1 з de), рэгулярнасць LSFL-II памяншаецца.
У гэтым даследаванні даследаваўся ўплыў тэмпературы падкладкі на марфалогію паверхні нержавеючай сталі, апрацаванай лазерам DLIP.Устаноўлена, што нагрэў падкладкі ад 21 да 250°С прыводзіць да памяншэння глыбіні абляцыі з 1,75 да 0,87 мкм у s-палярызацыі і з 2,33 да 1,06 мкм у р-палярызацыі.Гэта зніжэнне звязана са зменай тыпу LIPSS з LSFL-I на LSFL-II, што звязана з індукаваным лазерам павярхоўным аксідным слоем пры больш высокай тэмпературы ўзору.Акрамя таго, LSFL-II можа павялічыць парогавы паток з-за павелічэння акіслення.Мяркуецца, што ў гэтай тэхналагічнай сістэме з высокім перакрыццем імпульсаў, сярэдняй шчыльнасцю энергіі і сярэдняй частатой паўтарэння ўзнікненне LSFL-II таксама вызначаецца зменай дынамікі дыслакацый, выкліканай нагрэвам узору.Мяркуецца, што агрэгацыя LSFL-II звязана з залежным ад арыентацыі збожжа адукацыяй нанаваідаў, што прыводзіць да HSFL як папярэдніка LSFL-II.Акрамя таго, вывучаецца ўплыў напрамку палярызацыі на структурны перыяд і шырыню паласы структурнага перыяду.Аказалася, што р-палярызацыя больш эфектыўная для працэсу DLIP з пункту гледжання глыбіні абляцыі.У цэлым, гэта даследаванне раскрывае набор параметраў працэсу для кантролю і аптымізацыі глыбіні абляцыі DLIP для стварэння індывідуальных малюнкаў паверхні.Нарэшце, пераход ад LSFL-I да LSFL-II цалкам абумоўлены цяплом, і чакаецца невялікае павелічэнне частаты паўтарэння пры пастаянным перакрыцці імпульсаў з-за павелічэння нагрэву24.Усе гэтыя аспекты маюць дачыненне да маючай адбыцца задачы пашырэння працэсу DLIP, напрыклад, за кошт выкарыстання паліганальных сістэм сканавання49.Каб мінімізаваць назапашванне цяпла, можна прытрымлівацца наступнай стратэгіі: падтрымлівайце хуткасць сканавання шматкутнага сканера як мага больш высокую, выкарыстоўваючы перавагі большага памеру лазернай плямы, артаганальнай кірунку сканавання, і выкарыстоўваючы аптымальную абляцыю.fluence 28. Акрамя таго, гэтыя ідэі дазваляюць ствараць складаную іерархічную тапаграфію для пашыранай функцыяналізацыі паверхні з дапамогай DLIP.
У гэтым даследаванні выкарыстоўваліся электрополированные пласціны з нержавеючай сталі (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) таўшчынёй 0,8 мм.Для выдалення любых забруджванняў з паверхні ўзоры перад апрацоўкай лазерам старанна прамывалі этанолам (абсалютная канцэнтрацыя этанолу \(\ge\) 99,9%).
Параметр DLIP паказаны на малюнку 4. Узоры былі пабудаваны з выкарыстаннем сістэмы DLIP, абсталяванай лазернай крыніцай ультракароткіх імпульсаў 12 пс з даўжынёй хвалі 532 нм і максімальнай частатой паўтарэння 50 МГц.Прасторавае размеркаванне энергіі пучка - гаўсава.Спецыяльна распрацаваная оптыка забяспечвае двухпрамянёвую інтэрфераметрычную канфігурацыю для стварэння лінейных структур на ўзоры.Аб'ектыў з фокуснай адлегласцю 100 мм накладвае два дадатковыя лазерныя прамяні на паверхню пад фіксаваным вуглом 6,8\(^\circ\), што дае прасторавы перыяд каля 4,5 мкм.Больш інфармацыі аб эксперыментальнай устаноўцы можна знайсці ў іншым месцы50.
Перад апрацоўкай лазерам ўзор змяшчаецца на награвальную пласціну пры пэўнай тэмпературы.Тэмпература награвальнай пласціны была ўстаноўлена на 21 і 250°C.Ва ўсіх эксперыментах выкарыстоўвалася папярочная бруя сціснутага паветра ў спалучэнні з выцяжной прыладай для прадухілення асаджэння пылу на оптыцы.Для размяшчэння ўзору ў працэсе структуравання наладжваецца сістэма этапаў x,y.
Хуткасць сістэмы прыступкі пазіцыянавання змянялася ад 66 да 200 мм/с, каб атрымаць перакрыцце паміж імпульсамі ад 99,0 да 99,67 \(\%\) адпаведна.Ва ўсіх выпадках частата паўтарэння была зафіксавана на ўзроўні 200 кГц, а сярэдняя магутнасць складала 4 Вт, што давала энергію на імпульс 20 мкДж.Дыяметр пучка, які выкарыстоўваецца ў эксперыменце DLIP, складае каля 100 мкм, а выніковая пікавая шчыльнасць лазернай энергіі складае 0,5 Дж/см\(^{2}\).Агульная энергія, якая выдзяляецца на адзінку плошчы, - гэта пікавы кумулятыўны плынь, які адпавядае 50 Дж/см\(^2\) для \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 Дж/см \(^2\) для \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) і 150 Дж/см\(^2\) для \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Каб змяніць палярызацыю лазернага прамяня, выкарыстоўвайце пласціну \(\лямбда\)/2.Для кожнага выкарыстоўванага набору параметраў на ўзоры тэкстуруецца вобласць памерам прыблізна 35 × 5 мм\(^{2}\).Усе структураваныя эксперыменты праводзіліся ў навакольных умовах для забеспячэння прамысловай прымянімасці.
Марфалогію узораў даследавалі з дапамогай канфакальнага мікраскопа з 50-кратным павелічэннем і аптычным і вертыкальным дазволам 170 нм і 3 нм адпаведна.Затым сабраныя тапаграфічныя дадзеныя былі ацэнены з дапамогай праграмнага забеспячэння для аналізу паверхні.Выманне профіляў з даных мясцовасці ў адпаведнасці з ISO 1661051.
Узоры таксама характарызавалі з дапамогай сканавальнага электроннага мікраскопа пры паскаральным напрузе 6,0 кВ.Хімічны склад паверхні ўзораў ацэньвалі з дапамогай прыстаўкі энергадысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі (ЭДС) пры паскаральным напрузе 15 кВ.Акрамя таго, для вызначэння зярністай марфалогіі мікраструктуры ўзораў выкарыстоўваўся аптычны мікраскоп з аб'ектывам 50x. Перад гэтым узоры пратручвалі пры пастаяннай тэмпературы 50 \(^\circ\)C на працягу пяці хвілін у афарбоўцы з нержавеючай сталі салянай і азотнай кіслатой канцэнтрацыяй 15–20 \(\%\) і 1\( -<\)5 \(\%\), адпаведна. Перад гэтым узоры пратручвалі пры пастаяннай тэмпературы 50 \(^\circ\)C на працягу пяці хвілін у афарбоўцы з нержавеючай сталі салянай і азотнай кіслатой канцэнтрацыяй 15–20 \(\%\) і 1\( -<\)5 \(\%\), адпаведна. Перад гэтымі ўзорамі працавалі пры пастаяннай тэмпературы 50 \(^\circ\)С на працягу пяці хвілін у красцы з нержавеючай сталі солянай і азотнай кіслотамі ў канцэнтрацыі 15-20 \(\%\) і 1\( -<\)5 \( \%\) адпаведна. Перад гэтым узоры тручылі пры пастаяннай тэмпературы 50 \(^\circ\)C на працягу пяці хвілін у фарбе для нержавеючай сталі салянай і азотнай кіслотамі ў канцэнтрацыі 15-20 \(\%\) і 1\( -<\)5 \( \%\) адпаведна.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，盐酸和硝酸浓度为15–20 \(\%\ ) 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。Перад гэтым узоры пратручвалі на працягу пяці хвілін пры пастаяннай тэмпературы 50 \(^\circ\)С у фарбавальным растворы для нержавеючай сталі з канцэнтрацыяй салянай і азотнай кіслот 15-20 \(\%\) і 1 \.(-<\)5 \ (\%\) адпаведна. (-<\)5 \ (\%\) адпаведна.
Прынцыповая схема эксперыментальнай устаноўкі двухпрамянёвай устаноўкі DLIP, якая ўключае (1) лазерны прамень, (2) пласціну \(\lambda\)/2, (3) галоўку DLIP з пэўнай аптычнай канфігурацыяй, (4) ) гарачая пласціна, (5) крос-флюідны , (6) этапы пазіцыянавання x,y і (7) узоры з нержавеючай сталі.Два накладзеныя прамяні, абведзеныя чырвоным злева, ствараюць лінейныя структуры на ўзоры пад вугламі \(2\тэта\) (уключаючы s- і p-палярызацыю).
Наборы дадзеных, выкарыстаныя і/або прааналізаваныя ў бягучым даследаванні, даступныя ў адпаведных аўтараў па абгрунтаваным запыце.
Час публікацыі: 7 студзеня 2023 г