Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Директна ласерска интерференција (ДЛИП) у комбинацији са ласером индукованом периодичном површинском структуром (ЛИПСС) омогућава стварање функционалних површина за различите материјале.Проточност процеса се обично повећава коришћењем веће просечне снаге ласера.Међутим, то доводи до акумулације топлоте, што утиче на храпавост и облик резултујућег површинског узорка.Због тога је неопходно детаљно проучити утицај температуре подлоге на морфологију израђених елемената.У овој студији, површина челика је била линија са пс-ДЛИП на 532 нм.Да би се истражио утицај температуре супстрата на резултујућу топографију, коришћена је грејна плоча за контролу температуре.Загревање на 250 \(^{\цирц }\)С довело је до значајног смањења дубине формираних структура са 2,33 на 1,06 µм.Смањење је повезано са појавом различитих типова ЛИПСС-а у зависности од оријентације зрна супстрата и ласерски индуковане површинске оксидације.Ова студија показује снажан ефекат температуре подлоге, који се такође очекује када се површинска обрада изводи при високој просечној снази ласера да би се створили ефекти акумулације топлоте.
Методе површинске обраде засноване на ултракратком пулсном ласерском зрачењу предњаче у науци и индустрији због своје способности да побољшају својства површине најважнијих релевантних материјала1.Посебно, ласерски индукована прилагођена функционалност површине је најсавременија у широком спектру индустријских сектора и сценарија примене1,2,3.На пример, Верцилло ет ал.Својства против залеђивања су демонстрирана на легурама титанијума за примену у ваздухопловству на основу суперхидрофобности изазване ласером.Епперлеин и сарадници су известили да карактеристике нано величине произведене ласерским површинским структурирањем могу утицати на раст или инхибицију биофилма на челичним узорцима5.Поред тога, Гуаи ет ал.такође побољшала оптичка својства органских соларних ћелија.6 Дакле, ласерско структурирање омогућава производњу структурних елемената високе резолуције контролисаном аблацијом површинског материјала1.
Погодна техника ласерског структурирања за производњу таквих периодичних површинских структура је директно ласерско обликовање интерференције (ДЛИП).ДЛИП се заснива на интерференцији близу површине два или више ласерских зрака да би се формирале површине са узорком са карактеристикама у микрометарском и нанометарском опсегу.У зависности од броја и поларизације ласерских зрака, ДЛИП може да дизајнира и креира широк спектар топографских површинских структура.Приступ који обећава је комбиновање ДЛИП структура са ласером индукованим периодичним површинским структурама (ЛИПСС) како би се створила површинска топографија са сложеном структурном хијерархијом8,9,10,11,12.У природи се показало да ове хијерархије пружају још боље перформансе од модела са једном скалом13.
ЛИПСС функција је подложна процесу самопојачавања (позитивна повратна спрега) заснована на све већој модулацији дистрибуције интензитета зрачења близу површине.Ово је због повећања нанохрапавости како се број примењених ласерских импулса повећава за 14, 15, 16. Модулација настаје углавном због интерференције емитованог таласа са електромагнетним пољем15,17,18,19,20,21 преломљеног и компоненте расутих таласа или површински плазмони.На формирање ЛИПСС-а утиче и тајминг импулса22,23.Посебно, веће просечне снаге ласера су неопходне за високопродуктивне површинске третмане.Ово обично захтева употребу високих стопа понављања, односно у опсегу МХз.Сходно томе, временско растојање између ласерских импулса је краће, што доводи до ефеката акумулације топлоте 23, 24, 25, 26. Овај ефекат доводи до укупног повећања површинске температуре, што може значајно утицати на механизам формирања шаблона током ласерске аблације.
У претходном раду, Руденко ет ал.и Тзибидис ет ал.Разматра се механизам за формирање конвективних структура, који би требало да постане све важнији са повећањем акумулације топлоте19,27.Поред тога, Бауер ет ал.Повезати критичну количину акумулације топлоте са микронским површинским структурама.Упркос овом термички индукованом процесу формирања структуре, генерално се верује да се продуктивност процеса може побољшати једноставним повећањем стопе понављања28.Иако се то, заузврат, не може постићи без значајног повећања складиштења топлоте.Стога, процесне стратегије које обезбеђују топологију на више нивоа можда неће бити преносиве на веће стопе понављања без промене кинетике процеса и формирања структуре9,12.С тим у вези, веома је важно истражити како температура подлоге утиче на процес формирања ДЛИП-а, посебно када се праве слојевити површински узорци услед истовременог формирања ЛИПСС-а.
Циљ овог истраживања био је да се процени утицај температуре подлоге на резултујућу топографију површине током ДЛИП обраде нерђајућег челика коришћењем пс импулса.Током ласерске обраде, температура супстрата узорка је доведена до 250 \(^\цирц\)Ц помоћу грејне плоче.Добијене површинске структуре су окарактерисане коришћењем конфокалне микроскопије, скенирајуће електронске микроскопије и енергетски дисперзивне рендгенске спектроскопије.
У првој серији експеримената, челична подлога је обрађена коришћењем ДЛИП конфигурације са два снопа са просторним периодом од 4,5 µм и температуром подлоге од \(Т_{\матхрм {с}}\) 21 \(^{\цирц }\)Ц, у даљем тексту „негрејана“ површина.У овом случају, преклапање импулса \(о_{\матхрм {п}}\) је растојање између два импулса као функција величине тачке.Она варира од 99,0% (100 импулса по позицији) до 99,67% (300 импулса по позицији).У свим случајевима, коришћена је вршна густина енергије \(\Пхи _\матхрм {п}\) = 0,5 Ј/цм\(^2\) (за Гаусов еквивалент без сметњи) и фреквенција понављања ф = 200 кХз.Правац поларизације ласерског зрака је паралелан са кретањем стола за позиционирање (Сл. 1а)), који је паралелан са смером линеарне геометрије створене двосмерном интерференцијом.Репрезентативне слике добијених структура коришћењем скенирајућег електронског микроскопа (СЕМ) приказане су на сл.1а–ц.Да би се подржала анализа СЕМ слика у смислу топографије, извршене су Фуријеове трансформације (ФФТ, приказане тамним уметцима) на структурама које се процењују.У свим случајевима, резултујућа геометрија ДЛИП-а била је видљива са просторним периодом од 4,5 µм.
За случај \(о_{\матхрм {п}}\) = 99,0% у тамнијој области на Сл.1а, који одговара положају максимума интерференције, могу се уочити жлебови који садрже мање паралелне структуре.Они се смењују са светлијим тракама прекривеним топографијом налик наночестицама.Пошто се чини да је паралелна структура између жлебова окомита на поларизацију ласерског зрака и има период од \(\Ламбда _{\матхрм {ЛСФЛ-И}}\) 418\(\пм 65\) нм, благо мање од таласне дужине ласера \(\ламбда\) (532 нм) може се назвати ЛИПСС са ниском просторном фреквенцијом (ЛСФЛ-И)15,18.ЛСФЛ-И производи такозвани сигнал с-типа у ФФТ-у, “с” расејање15,20.Дакле, сигнал је окомит на јак централни вертикални елемент, који заузврат генерише ДЛИП структура (\(\Ламбда _{\матхрм {ДЛИП}}\) \(\аппрок\) 4,5 µм).Сигнал генерисан линеарном структуром ДЛИП узорка у ФФТ слици се назива „ДЛИП-тип“.
СЕМ слике површинских структура креиране помоћу ДЛИП-а.Максимална густина енергије је \(\Пхи _\матхрм {п}\) = 0,5 Ј/цм\(^2\) (за Гаусов еквивалент без шума) и стопа понављања ф = 200 кХз.Слике показују температуру узорка, поларизацију и прекривање.Кретање фазе локализације је означено црном стрелицом у (а).Црни уметак приказује одговарајући ФФТ добијен из 37,25\(\тимес\)37,25 µм СЕМ слике (приказано док таласни вектор не постане \(\вец {к}\цдот (2\пи)^ {-1}\) = 200 нм).Параметри процеса су назначени на свакој слици.
Гледајући даље у слику 1, можете видети да како се \(о_{\матхрм {п}}\) преклапање повећава, сигмоидни сигнал је више концентрисан према к-оси ФФТ-а.Остатак ЛСФЛ-И тежи да буде паралелнији.Поред тога, смањио се релативни интензитет сигнала с-типа и повећао интензитет сигнала типа ДЛИП.То је због све израженијих ровова са више преклапања.Такође, сигнал к-осе између типа с и центра мора да долази из структуре са истом оријентацијом као ЛСФЛ-И али са дужим периодом (\(\Ламбда _\матхрм {б}\) \(\приближно \ ) 1,4 ± 0,2 µм) као што је приказано на слици 1ц).Стога се претпоставља да је њихово формирање образац јама у центру рова.Нова карактеристика се такође појављује у опсегу високих фреквенција (велики таласни број) ординате.Сигнал долази од паралелних таласа на падинама рова, највероватније због интерференције упадног и напред рефлектованог светла на падинама9,14.У наставку, ови таласи су означени са ЛСФЛ \ (_ \ матхрм {едге} \), а њихови сигнали – са типом -с \ (_ {\матхрм {п)) \).
У следећем експерименту температура узорка је подигнута на 250 °Ц испод такозване „грејане“ површине.Структурирање је спроведено према истој стратегији обраде као и експерименти поменути у претходном одељку (слике 1а–1ц).СЕМ слике приказују резултујућу топографију као што је приказано на слици 1д-ф.Загревање узорка на 250 Ц доводи до повећања изгледа ЛСФЛ, чији је правац паралелан са ласерском поларизацијом.Ове структуре се могу окарактерисати као ЛСФЛ-ИИ и имају просторни период \(\Ламбда _\матхрм {ЛСФЛ-ИИ}\) од 247 ± 35 нм.ЛСФЛ-ИИ сигнал се не приказује у ФФТ-у због високе фреквенције мода.Како се \(о_{\матхрм {п}}\) повећао са 99,0 на 99,67\(\%\) (Слика 1д–е), ширина региона светле траке се повећала, што је довело до појаве ДЛИП сигнала за више од високих фреквенција.таласне бројеве (ниже фреквенције) и тако се померају ка центру ФФТ.Редови удубљења на слици 1д могу бити претходници такозваних жлебова формираних окомито на ЛСФЛ-И22,27.Поред тога, чини се да је ЛСФЛ-ИИ постао краћи и неправилног облика.Имајте на уму да је просечна величина светлих трака са морфологијом нанозрна у овом случају мања.Поред тога, испоставило се да је дистрибуција величине ових наночестица мање дисперзована (или је довела до мање агломерације честица) него без загревања.Квалитативно, ово се може проценити упоређивањем слика 1а, д или б, е, респективно.
Како се преклапање \(о_{\матхрм {п}}\) даље повећавало на 99,67% (слика 1ф), постепено се појавила посебна топографија због све очигледнијих бразда.Међутим, ови жлебови изгледају мање уређени и мање дубоки него на слици 1ц.Низак контраст између светлих и тамних делова слике се види у квалитету.Ови резултати су додатно подржани слабијим и више расејаним сигналом ФФТ ординате на слици 1ф у поређењу са ФФТ на ц.Мање стрије су такође биле евидентне при загревању када се упореде слике 1б и е, што је касније потврђено конфокалном микроскопијом.
Поред претходног експеримента, поларизација ласерског зрака је ротирана за 90 \(^{\цирц}\), што је изазвало померање смера поларизације окомито на платформу за позиционирање.На сл.2а-ц приказује ране фазе формирања структуре, \(о_{\матхрм {п}}\) = 99,0% у незагрејаном (а), загрејаном (б) и загрејаном 90\(^{\ цирц }\ ) – Случај са ротирајућом поларизацијом (в).Да би се визуелизовала нанотопографија структура, области означене обојеним квадратима су приказане на сл.2д, у увећаној размери.
СЕМ слике површинских структура креиране помоћу ДЛИП-а.Параметри процеса су исти као на сл.1.Слика приказује температуру узорка \(Т_с\), поларизацију и преклапање импулса \(о_\матхрм {п}\).Црни уметак поново приказује одговарајућу Фуријеову трансформацију.Слике у (д)-(и) су увећања означених области у (а)-(ц).
У овом случају, може се видети да су структуре у тамнијим областима на слици 2б,ц осетљиве на поларизацију и стога су означене као ЛСФЛ-ИИ14, 20, 29, 30. Приметно је да је оријентација ЛСФЛ-И такође ротирана ( Слика 2г, и), што се може видети из оријентације сигнала с-типа у одговарајућем ФФТ.Опсег ЛСФЛ-И периода изгледа већи у поређењу са периодом б, а његов опсег је померен ка мањим периодима на слици 2ц, као што показује распрострањенији сигнал с-типа.Дакле, следећи ЛСФЛ просторни период се може посматрати на узорку при различитим температурама грејања: \(\Ламбда _{\матхрм {ЛСФЛ-И}}\) = 418\(\пм 65\) нм на 21 ^{ \цирц }\ )Ц (слика 2а), \(\Ламбда _{\матхрм {ЛСФЛ-И}}\) = 445\(~\пм\) 67 нм и \(\Ламбда _{\матхрм {ЛСФЛ-ИИ }} \) = 247 ± 35 нм на 250°Ц (слика 2б) за с поларизацију.Напротив, просторни период п-поларизације и 250 \(^{\цирц}\)Ц је једнак \(\Ламбда _{\матхрм {ЛСФЛ-И))\) = 390\(\пм 55\ ) нм и \(\ Ламбда_{\матхрм{ЛСФЛ-ИИ}}\) = 265±35 нм (слика 2ц).
Значајно, резултати показују да само повећањем температуре узорка, морфологија површине може да прелази између два екстрема, укључујући (и) површину која садржи само ЛСФЛ-И елементе и (ии) област прекривену ЛСФЛ-ИИ.Пошто је формирање овог типа ЛИПСС-а на металним површинама повезано са површинским оксидним слојевима, извршена је енергетска дисперзивна рендгенска анализа (ЕДКС).Табела 1 сумира добијене резултате.Свако одређивање се врши усредњавањем најмање четири спектра на различитим местима на површини обрађеног узорка.Мерења се врше на различитим температурама узорка \(Т_\матхрм{с}\) и различитим позицијама површине узорка која садржи неструктуриране или структуриране области.Мерења такође садрже информације о дубљим неоксидисаним слојевима који леже директно испод третиране растопљене површине, али унутар дубине пенетрације електрона ЕДКС анализе.Међутим, треба напоменути да је ЕДКС ограничен у својој способности да квантификује садржај кисеоника, тако да ове вредности овде могу дати само квалитативну процену.
Нетретирани делови узорака нису показали значајне количине кисеоника на свим радним температурама.Након ласерског третмана, ниво кисеоника је повећан у свим случајевима31.Разлика у елементарном саставу између два необрађена узорка била је како се очекивало за комерцијалне узорке челика, а нађене су значајно веће вредности угљеника у поређењу са подацима произвођача за АИСИ 304 челик због контаминације угљоводоницима32.
Пре разматрања могућих разлога за смањење дубине аблације жлеба и преласка са ЛСФЛ-И на ЛСФЛ-ИИ, коришћени су профили спектралне густине снаге (ПСД) и висине.
(и) Квази-дводимензионална нормализована спектрална густина снаге (К2Д-ПСД) површине је приказана као СЕМ слике на сликама 1 и 2. 1 и 2. Пошто је ПСД нормализован, смањење сигнала збира треба да буде схваћено као повећање константног дела (к \(\ле\) 0,7 µм\(^{-1}\), није приказано), односно глаткоћа.(ии) Одговарајући средњи профил висине површине.Температура узорка \(Т_с\), преклапање \(о_{\матхрм {п}}\) и ласерска поларизација Е у односу на оријентацију \(\вец {в}\) кретања платформе за позиционирање приказани су на свим дијаграмима.
Да би се квантификовао утисак СЕМ слика, просечни нормализовани спектар снаге је генерисан из најмање три СЕМ слике за сваки скуп параметара усредњавањем свих једнодимензионалних (1Д) спектралних густина снаге (ПСД) у к или и смеру.Одговарајући графикон је приказан на слици 3и и приказује померање фреквенције сигнала и његов релативни допринос спектру.
На сл.3иа, ц, е, ДЛИП пик расте близу \(к_{\матхрм {ДЛИП}}~=~2\пи\) (4,5 µм)\(^{-1}\) = 1,4 µм \ ( ^{- 1}\) или одговарајући виши хармоници како се преклапање повећава \(о_{\матхрм {п))\).Повећање основне амплитуде било је повезано са јачим развојем ЛРИБ структуре.Амплитуда виших хармоника расте са стрмином нагиба.За правоугаоне функције као граничне случајеве, апроксимација захтева највећи број фреквенција.Стога, пик око 1,4 µм\(^{-1}\) у ПСД-у и одговарајући хармоници могу се користити као параметри квалитета за облик жлеба.
Напротив, као што је приказано на слици 3(и)б,д,ф, ПСД загрејаног узорка показује слабије и шире пикове са мање сигнала у одговарајућим хармоницима.Поред тога, на сл.3(и)ф показује да сигнал другог хармоника чак и превазилази основни сигнал.Ово одражава неправилнију и мање изражену ДЛИП структуру загрејаног узорка (у поређењу са \(Т_с\) = 21\(^\цирц\)Ц).Још једна карактеристика је да како се преклапање \(о_{\матхрм {п}}\) повећава, резултујући ЛСФЛ-И сигнал се помера ка мањем таласном броју (дужи период).Ово се може објаснити повећаном стрмином ивица ДЛИП мода и повезаним локалним повећањем упадног угла14,33.Пратећи овај тренд, проширење ЛСФЛ-И сигнала се такође може објаснити.Поред стрмих падина, постоје и равне површине на дну и изнад врхова ДЛИП структуре, што омогућава шири опсег ЛСФЛ-И периода.За високо упијајуће материјале, период ЛСФЛ-И се обично процењује као:
где је \(\тета\) упадни угао, а индекси с и п односе се на различите поларизације33.
Треба напоменути да је раван инциденције за ДЛИП подешавање обично окомита на кретање платформе за позиционирање, као што је приказано на слици 4 (погледајте одељак Материјали и методе).Дакле, с-поларизација је, по правилу, паралелна са кретањем позорнице, а п-поларизација је окомита на њега.Према једначини.(1), за с-поларизацију се очекује ширење и померање ЛСФЛ-И сигнала ка мањим таласним бројевима.Ово је због повећања \(\тхета\) и угаоног опсега \(\тхета \пм \делта \тхета\) како се дубина рова повећава.Ово се може видети упоређивањем ЛСФЛ-И врхова на слици 3иа,ц,е.
Према резултатима приказаним на сл.1ц, ЛСФЛ\(_\матхрм {едге}\) је такође видљив у одговарајућем ПСД-у на сл.3ие.На сл.3иг,х приказује ПСД за п-поларизацију.Разлика у ДЛИП пиковима је израженија између загрејаних и незагрејаних узорака.У овом случају, сигнал са ЛСФЛ-И се преклапа са вишим хармоницима ДЛИП пика, додајући сигналу близу таласне дужине ласера.
Да бисмо детаљније разговарали о резултатима, на слици 3ии приказана је структурна дубина и преклапање између импулса ДЛИП линеарне дистрибуције висине на различитим температурама.Вертикални висински профил површине добијен је усредњавањем десет појединачних вертикалних висинских профила око центра ДЛИП структуре.За сваку примењену температуру, дубина структуре се повећава са повећањем преклапања импулса.Профил загрејаног узорка показује жлебове са средњим вредностима од врха до врха (пвп) од 0,87 µм за с-поларизацију и 1,06 µм за п-поларизацију.Насупрот томе, с-поларизација и п-поларизација незагрејаног узорка показују пвп од 1,75 µм и 2,33 µм, респективно.Одговарајући пвп је приказан у висинском профилу на сл.3ии.Сваки ПвП просек се израчунава усредњавањем осам појединачних ПвП-ова.
Поред тога, на сл.3ииг,х приказује расподелу висине п-поларизације управно на систем позиционирања и кретање жлеба.Правац п-поларизације има позитиван ефекат на дубину жлеба јер резултира нешто већим пвп-ом на 2,33 µм у поређењу са с-поларизацијом на 1,75 µм пвп.Ово заузврат одговара жлебовима и кретању система платформе за позиционирање.Овај ефекат може бити узрокован мањом структуром у случају с-поларизације у поређењу са случајем п-поларизације (видети слику 2ф,х), о чему ће даље бити речи у следећем одељку.
Сврха дискусије је да се објасни смањење дубине жлеба услед промене главне класе ЛИПС (ЛСФЛ-И до ЛСФЛ-ИИ) у случају загрејаних узорака.Зато одговорите на следећа питања:
Да бисмо одговорили на прво питање, потребно је размотрити механизме одговорне за смањење аблације.За један пулс са нормалном инциденцом, дубина аблације се може описати као:
где је \(\делта _{\матхрм {Е}}\) дубина пенетрације енергије, \(\Пхи\) и \(\Пхи _{\матхрм {тх}}\) су флуенс апсорпције и аблацијски флуенце праг, односно34 .
Математички гледано, дубина продора енергије има мултипликативни ефекат на дубину аблације, док промена енергије има логаритамски ефекат.Дакле, промене флуенса не утичу на \(\Делта з\) све док \(\Пхи ~\гг ~\Пхи _{\матхрм {тх}}\).Међутим, јака оксидација (на пример, услед стварања хром-оксида) доводи до јачих Цр-О35 веза у поређењу са Цр-Цр везама, чиме се повећава праг аблације.Сходно томе, \(\Пхи ~\гг ~\Пхи _{\матхрм {тх}}\) више није задовољан, што доводи до брзог смањења дубине аблације са смањењем густине флукса енергије.Поред тога, позната је корелација између оксидационог стања и периода ЛСФЛ-ИИ, што се може објаснити променама у самој наноструктури и оптичким својствима површине изазваним површинском оксидацијом30,35.Према томе, тачна површинска расподела апсорпционог флуенса \(\Пхи\) је последица сложене динамике интеракције између структурног периода и дебљине оксидног слоја.У зависности од периода, наноструктура снажно утиче на дистрибуцију апсорбованог енергетског флукса услед наглог повећања поља, ексцитације површинских плазмона, изузетног преноса светлости или расејања17,19,20,21.Због тога је \(\Пхи\) јако нехомоген близу површине и \(\делта _ {Е}\) вероватно више није могућ са једним коефицијентом апсорпције \(\алпха = \делта _{\матхрм {опт} } ^ { -1} \приближно \делта _{\матхрм {Е}}^{-1}\) за целу запремину близу површине.Пошто дебљина оксидног филма у великој мери зависи од времена очвршћавања [26], ефекат номенклатуре зависи од температуре узорка.Оптички микрографи приказани на слици С1 у додатном материјалу указују на промене у оптичким својствима.
Ови ефекти делимично објашњавају мању дубину рова у случају малих површинских структура на сликама 1д,е и 2б,ц и 3(ии)б,д,ф.
Познато је да се ЛСФЛ-ИИ формира на полупроводницима, диелектрицима и материјалима склоним оксидацији14,29,30,36,37.У последњем случају посебно је важна дебљина површинског оксидног слоја30.Урађена ЕДКС анализа открила је формирање површинских оксида на структурираној површини.Дакле, за незагрејане узорке, кисеоник из околине изгледа да доприноси делимичном формирању гасовитих честица и делимично формирању површинских оксида.Оба феномена дају значајан допринос овом процесу.Напротив, за загрејане узорке, оксиди метала различитих оксидационих стања (СиО\(_{\матхрм {2}}\), Цр\(_{\матхрм {н}} \)О\(_{\матхрм { м}}\ ), Фе\(_{\матхрм {н}}\)О\(_{\матхрм {м}}\), НиО, итд.) јасно 38 за.Поред потребног оксидног слоја, неопходно је присуство храпавости подталасне дужине, углавном ЛИПСС високе просторне фреквенције (ХСФЛ), да би се формирали потребни модови интензитета подталасне дужине (д-тип)14,30.Коначни режим интензитета ЛСФЛ-ИИ је функција амплитуде ХСФЛ-а и дебљине оксида.Разлог за овај режим је интерференција светлости у далеком пољу расејане ХСФЛ-ом и светлости која се прелама у материјал и шири се унутар површинског диелектричног материјала20,29,30.СЕМ слике ивице површинског узорка на слици С2 у одељку Додатни материјали указују на већ постојећи ХСФЛ.Овај спољни регион је слабо погођен периферијом дистрибуције интензитета, што омогућава формирање ХСФЛ-а.Због симетрије дистрибуције интензитета, овај ефекат се такође одвија дуж правца скенирања.
Загревање узорка утиче на процес формирања ЛСФЛ-ИИ на неколико начина.С једне стране, повећање температуре узорка \(Т_\матхрм{с}\) има много већи утицај на брзину очвршћавања и хлађења од дебљине растопљеног слоја26.Дакле, течни интерфејс загрејаног узорка је изложен кисеонику из околине током дужег временског периода.Поред тога, одложено очвршћавање омогућава развој сложених конвективних процеса који повећавају мешање кисеоника и оксида са течним челиком26.Ово се може показати упоређивањем дебљине оксидног слоја формираног само дифузијом (\(\Ламбда _\матхрм {дифф}=\скрт{Д~\тимес ~т_\матхрм {с}}~\ле ~15\) нм) Одговарајуће време коагулације је \(т_\матхрм {с}~\ле ~200\) нс, а коефицијент дифузије \(Д~\ле\) 10\(^{-5}\) цм\(^ 2 \ )/ с) Уочена је или потребна значајно већа дебљина у формацији ЛСФЛ-ИИ30.С друге стране, загревање такође утиче на формирање ХСФЛ-а, а тиме и на објекте расејања који су потребни за прелазак у режим интензитета ЛСФЛ-ИИ д-типа.Изложеност наноидима заробљеним испод површине сугерише њихову умешаност у формирање ХСФЛ39.Ови дефекти могу представљати електромагнетно порекло ХСФЛ-а због захтеваних високофреквентних образаца периодичног интензитета14,17,19,29.Поред тога, ови генерисани режими интензитета су униформнији са великим бројем наноида19.Дакле, разлог повећане инциденције ХСФЛ-а може се објаснити променом динамике кристалних дефеката како се \(Т_\матхрм{с}\) повећава.
Недавно је показано да је брзина хлађења силицијума кључни параметар за интринзичну интерстицијску презасићеност, а тиме и за акумулацију тачкастих дефеката са формирањем дислокација40,41.Симулације молекуларне динамике чистих метала показале су да се слободна места презасићењу током брзе рекристализације, па се стога акумулација слободних места у металима одвија на сличан начин42,43,44.Поред тога, недавне експерименталне студије сребра су се фокусирале на механизам формирања празнина и кластера услед акумулације тачкастих дефеката45.Дакле, повећање температуре узорка \(Т_\матхрм {с}\) и, последично, смањење брзине хлађења може утицати на формирање шупљина, које су језгра ХСФЛ.
Ако су слободна места неопходни претходници шупљина и отуда ХСФЛ, температура узорка \(Т_с\) треба да има два ефекта.С једне стране, \(Т_с\) утиче на брзину рекристализације и, последично, на концентрацију тачкастих дефеката (концентрација слободних места) у израслом кристалу.С друге стране, утиче и на брзину хлађења након очвршћавања, чиме утиче на дифузију тачкастих дефеката у кристалу 40,41.Поред тога, брзина очвршћавања зависи од кристалографске оријентације и стога је веома анизотропна, као и дифузија тачкастих дефеката42,43.Према овој премиси, због анизотропног одговора материјала, интеракција светлости и материје постаје анизотропна, што заузврат појачава ово детерминистичко периодично ослобађање енергије.За поликристалне материјале, ово понашање може бити ограничено величином једног зрна.У ствари, показано је формирање ЛИПСС-а у зависности од оријентације зрна46,47.Стога, ефекат температуре узорка \(Т_с\) на брзину кристализације можда није тако јак као ефекат оријентације зрна.Дакле, различита кристалографска оријентација различитих зрна пружа потенцијално објашњење за повећање шупљина и агрегацију ХСФЛ или ЛСФЛ-ИИ, респективно.
Да би се разјасниле почетне индикације ове хипотезе, сирови узорци су урезани да би се открило формирање зрна близу површине.Поређење зрна на сл.С3 је приказан у додатном материјалу.Поред тога, ЛСФЛ-И и ЛСФЛ-ИИ су се појавили у групама на загрејаним узорцима.Величина и геометрија ових кластера одговарају величини зрна.
Штавише, ХСФЛ се јавља само у уском опсегу при ниским густинама флукса због свог конвективног порекла19,29,48.Стога, у експериментима, ово се вероватно дешава само на периферији профила снопа.Дакле, ХСФЛ се формирао на неоксидисаним или слабо оксидованим површинама, што је постало очигледно када се упореде оксидне фракције третираних и необрађених узорака (видети табелу рефтаб: пример).Ово потврђује претпоставку да је оксидни слој углавном индукован ласером.
С обзиром на то да формирање ЛИПСС-а обично зависи од броја импулса због повратне спреге између импулса, ХСФЛ се могу заменити већим структурама како се преклапање импулса повећава19.Мање правилан ХСФЛ доводи до мање редовног обрасца интензитета (д-режим) потребног за формирање ЛСФЛ-ИИ.Према томе, како се преклапање \(о_\матхрм {п}\) повећава (види слику 1 од де), регуларност ЛСФЛ-ИИ опада.
Ова студија је истраживала утицај температуре подлоге на морфологију површине ласерски структурираног ДЛИП-третираног нерђајућег челика.Утврђено је да загревање супстрата од 21 до 250°Ц доводи до смањења дубине аблације са 1,75 на 0,87 µм у с-поларизацији и са 2,33 на 1,06 µм у п-поларизацији.Ово смањење је последица промене типа ЛИПСС-а са ЛСФЛ-И на ЛСФЛ-ИИ, који је повезан са ласерски индукованим површинским оксидним слојем на вишој температури узорка.Поред тога, ЛСФЛ-ИИ може повећати гранични проток због повећане оксидације.Претпоставља се да је у овом технолошком систему са великим преклапањем импулса, просечном густином енергије и просечном стопом понављања, појава ЛСФЛ-ИИ одређена и променом динамике дислокације изазване загревањем узорка.Претпоставља се да је агрегација ЛСФЛ-ИИ последица формирања наноида зависне од оријентације зрна, што доводи до ХСФЛ као претходника ЛСФЛ-ИИ.Поред тога, проучава се утицај правца поларизације на структурни период и пропусни опсег структурног периода.Испоставило се да је п-поларизација ефикаснија за ДЛИП процес у смислу дубине аблације.Све у свему, ова студија открива скуп параметара процеса за контролу и оптимизацију дубине ДЛИП аблације како би се створили прилагођени површински узорци.Коначно, прелазак са ЛСФЛ-И на ЛСФЛ-ИИ је у потпуности вођен топлотом и очекује се мало повећање стопе понављања уз константно преклапање импулса због повећаног нагомилавања топлоте24.Сви ови аспекти су релевантни за предстојећи изазов проширења ДЛИП процеса, на пример коришћењем система полигоналног скенирања49.Да би се акумулација топлоте свела на минимум, може се следити следећа стратегија: одржавати брзину скенирања полигоналног скенера што је могуће већом, користећи предност веће величине ласерске тачке, ортогоналне на смер скенирања, и коришћење оптималне аблације.флуенце 28. Поред тога, ове идеје омогућавају креирање сложене хијерархијске топографије за напредну функционализацију површине помоћу ДЛИП-а.
У овом истраживању коришћене су електрополиране плоче од нерђајућег челика (Кс5ЦрНи18-10, 1.4301, АИСИ 304) дебљине 0,8 мм.Да би се уклонили сви загађивачи са површине, узорци су пажљиво испрани етанолом пре ласерског третмана (апсолутна концентрација етанола \(\ге\) 99,9%).
Подешавање ДЛИП-а је приказано на слици 4. Узорци су конструисани коришћењем ДЛИП система опремљеног ултракратким импулсним ласерским извором од 12 пс са таласном дужином од 532 нм и максималном стопом понављања од 50 МХз.Просторна дистрибуција енергије зрака је Гаусова.Посебно дизајнирана оптика обезбеђује интерферометријску конфигурацију са два снопа за креирање линеарних структура на узорку.Сочиво са жижном даљином од 100 мм поставља два додатна ласерска зрака на површину под фиксним углом од 6,8\(^\цирц\), што даје просторни период од око 4,5 µм.Више информација о експерименталној поставци може се наћи на другом месту50.
Пре ласерске обраде, узорак се ставља на грејну плочу на одређеној температури.Температура грејне плоче је подешена на 21 и 250°Ц.У свим експериментима коришћен је попречни млаз компримованог ваздуха у комбинацији са издувним уређајем да би се спречило таложење прашине на оптици.Кс,и степенски систем је постављен да позиционира узорак током структурирања.
Брзина система степена позиционирања варирала је од 66 до 200 мм/с да би се добило преклапање између импулса од 99,0 до 99,67 \(\%\) респективно.У свим случајевима, стопа понављања је била фиксирана на 200 кХз, а просечна снага је била 4 В, што је давало енергију по импулсу од 20 μЈ.Пречник зрака који се користи у ДЛИП експерименту је око 100 µм, а резултујућа вршна густина енергије ласера је 0,5 Ј/цм\(^{2}\).Укупна ослобођена енергија по јединици површине је вршни кумулативни флуенце који одговара 50 Ј/цм\(^2\) за \(о_{\матхрм {п}}\) = 99,0 \(\%\), 100 Ј/цм \(^2\) за \(о_{\матхрм {п))\)=99,5\(\%\) и 150 Ј/цм\(^2\) за \(о_{ \матхрм {п} }\ ) = 99,67 \(\%\).Користите \(\ламбда\)/2 плочу да промените поларизацију ласерског зрака.За сваки скуп коришћених параметара, површина од приближно 35 × 5 мм\(^{2}\) је текстурирана на узорку.Сви структурирани експерименти су спроведени у амбијенталним условима како би се осигурала индустријска применљивост.
Морфологија узорака је испитивана коришћењем конфокалног микроскопа са увећањем од 50к и оптичком и вертикалном резолуцијом од 170 нм и 3 нм, респективно.Прикупљени топографски подаци су затим процењени коришћењем софтвера за анализу површине.Извуците профиле из података о терену према ИСО 1661051.
Узорци су такође окарактерисани коришћењем скенирајућег електронског микроскопа на убрзавајућем напону од 6,0 кВ.Хемијски састав површине узорака је процењен коришћењем наставка за енергетску дисперзију рендгенске спектроскопије (ЕДС) при убрзавајућем напону од 15 кВ.Поред тога, оптички микроскоп са 50к објективом је коришћен за одређивање грануларне морфологије микроструктуре узорака. Пре тога, узорци су нагризани на константној температури од 50 \(^\цирц\)Ц у трајању од пет минута у мрљи од нерђајућег челика са концентрацијом хлороводоничне и азотне киселине 15–20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \(\%\), респективно. Пре тога, узорци су нагризани на константној температури од 50 \(^\цирц\)Ц у трајању од пет минута у мрљи од нерђајућег челика са концентрацијом хлороводоничне и азотне киселине 15–20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \(\%\), респективно. Перед етим образци травили при константној температури 50 \(^\цирц\)С в течение пати минут в краске из нержавеусеј стали сољаној и азотној кислотами концентрациа 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Пре тога, узорци су нагризани на константној температури од 50 \(^\цирц\)Ц у трајању од пет минута у боји од нерђајућег челика са хлороводоничном и азотном киселином у концентрацији 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \( \%\) респективно.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\цирц\)Ц 的恒温蚀刻五分钟，盐染色液中以50 \(^\цирц\)Ц 的恒温蚀刻五分钟，盐染色液中以50 \(^\цирц\)Ц 的恒温蚀刻五分钟，盐染色液中以50 \(^\цирц\)Ц 的恒温蚀刻五分钟，盐染色液中以50\ ) 和1\( -<\)5 \ (\%\)，分别.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\цирц\)Ц (\%\)，分别。Пре тога, узорци су кисели пет минута на константној температури од 50 \(^\цирц\)Ц у раствору за бојење нерђајућег челика са концентрацијом хлороводоничне и азотне киселине 15-20 \(\%\) и 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) респективно.
Шематски дијаграм експерименталног постављања двозрачне ДЛИП поставке, укључујући (1) ласерски зрак, (2) \(\ламбда\)/2 плочу, (3) ДЛИП главу са одређеном оптичком конфигурацијом, (4) ) грејна плоча, (5) унакрсни флуид, (6) кораци за позиционирање к,и и (7) узорци од нерђајућег челика.Два суперпонирана зрака, заокружена црвеном бојом на левој страни, стварају линеарне структуре на узорку под угловима \(2\тхета\) (укључујући и с- и п-поларизацију).
Скупови података коришћени и/или анализирани у тренутној студији доступни су од одговарајућих аутора на разуман захтев.
Време поста: Јан-07-2023