Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Η άμεση παρεμβολή λέιζερ (DLIP) σε συνδυασμό με την επαγόμενη από λέιζερ περιοδική δομή επιφάνειας (LIPSS) επιτρέπει τη δημιουργία λειτουργικών επιφανειών για διάφορα υλικά.Η απόδοση της διαδικασίας συνήθως αυξάνεται χρησιμοποιώντας υψηλότερη μέση ισχύ λέιζερ.Ωστόσο, αυτό οδηγεί στη συσσώρευση θερμότητας, η οποία επηρεάζει την τραχύτητα και το σχήμα του προκύπτοντος σχεδίου επιφάνειας.Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να μελετηθεί λεπτομερώς η επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος στη μορφολογία των κατασκευασμένων στοιχείων.Σε αυτή τη μελέτη, η επιφάνεια του χάλυβα ήταν γραμμική με ps-DLIP στα 532 nm.Για να διερευνηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος στην προκύπτουσα τοπογραφία, χρησιμοποιήθηκε θερμαντική πλάκα για τον έλεγχο της θερμοκρασίας.Η θέρμανση στους 250 \(^{\circ }\)С οδήγησε σε σημαντική μείωση του βάθους των σχηματισμένων δομών από 2,33 σε 1,06 μm.Η μείωση συνδέθηκε με την εμφάνιση διαφορετικών τύπων LIPSS ανάλογα με τον προσανατολισμό των κόκκων του υποστρώματος και την οξείδωση της επιφάνειας που προκαλείται από λέιζερ.Αυτή η μελέτη δείχνει την ισχυρή επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος, η οποία αναμένεται επίσης όταν η επιφανειακή επεξεργασία εκτελείται σε υψηλή μέση ισχύ λέιζερ για να δημιουργήσει αποτελέσματα συσσώρευσης θερμότητας.
Οι μέθοδοι επεξεργασίας επιφανειών που βασίζονται στην ακτινοβολία λέιζερ υπερμικρών παλμών βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της επιστήμης και της βιομηχανίας λόγω της ικανότητάς τους να βελτιώνουν τις επιφανειακές ιδιότητες των πιο σημαντικών σχετικών υλικών1.Ειδικότερα, η λειτουργικότητα προσαρμοσμένης επιφάνειας που προκαλείται από λέιζερ είναι τελευταίας τεχνολογίας σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών τομέων και σεναρίων εφαρμογής1,2,3.Για παράδειγμα, οι Vercillo et al.Οι ιδιότητες κατά του πάγου έχουν αποδειχθεί σε κράματα τιτανίου για αεροδιαστημικές εφαρμογές που βασίζονται στην υπερυδροφοβία που προκαλείται από λέιζερ.Οι Epperlein et al ανέφεραν ότι τα χαρακτηριστικά σε νανομεγέθη που παράγονται από τη δόμηση της επιφάνειας με λέιζερ μπορούν να επηρεάσουν την ανάπτυξη ή την αναστολή του βιοφίλμ σε δείγματα χάλυβα5.Επιπλέον, οι Guai et al.βελτίωσε επίσης τις οπτικές ιδιότητες των οργανικών ηλιακών κυψελών.6 Έτσι, η δόμηση με λέιζερ επιτρέπει την παραγωγή δομικών στοιχείων υψηλής ανάλυσης με ελεγχόμενη αφαίρεση του επιφανειακού υλικού1.
Μια κατάλληλη τεχνική δόμησης λέιζερ για την παραγωγή τέτοιων περιοδικών επιφανειακών δομών είναι η διαμόρφωση άμεσης παρεμβολής λέιζερ (DLIP).Το DLIP βασίζεται στην παρεμβολή δύο ή περισσότερων ακτίνων λέιζερ κοντά στην επιφάνεια για να σχηματίσει επιφάνειες με μοτίβο με χαρακτηριστικά στην περιοχή μικρομέτρου και νανομέτρων.Ανάλογα με τον αριθμό και την πόλωση των ακτίνων λέιζερ, το DLIP μπορεί να σχεδιάσει και να δημιουργήσει μια μεγάλη ποικιλία τοπογραφικών επιφανειακών δομών.Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι ο συνδυασμός δομών DLIP με περιοδικές επιφανειακές δομές επαγόμενες από λέιζερ (LIPSS) για τη δημιουργία μιας τοπογραφίας επιφάνειας με μια πολύπλοκη δομική ιεραρχία8,9,10,11,12.Στη φύση, αυτές οι ιεραρχίες έχει αποδειχθεί ότι παρέχουν ακόμη καλύτερη απόδοση από τα μοντέλα μιας κλίμακας13.
Η λειτουργία LIPSS υπόκειται σε μια διαδικασία αυτοενίσχυσης (θετική ανάδραση) που βασίζεται σε μια αυξανόμενη διαμόρφωση κοντά στην επιφάνεια της κατανομής της έντασης της ακτινοβολίας.Αυτό οφείλεται στην αύξηση της νανοσκληρότητας καθώς ο αριθμός των εφαρμοζόμενων παλμών λέιζερ αυξάνεται κατά 14, 15, 16. Η διαμόρφωση συμβαίνει κυρίως λόγω της παρεμβολής του εκπεμπόμενου κύματος με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο15,17,18,19,20,21 των διαθλασμένων και συστατικά διάσπαρτων κυμάτων ή επιφανειακά πλασμόνια.Ο σχηματισμός των LIPSS επηρεάζεται επίσης από τον χρονισμό των παλμών22,23.Ειδικότερα, η υψηλότερη μέση ισχύς λέιζερ είναι απαραίτητη για επιφανειακές επεξεργασίες υψηλής παραγωγικότητας.Αυτό συνήθως απαιτεί τη χρήση υψηλών ρυθμών επανάληψης, δηλαδή στην περιοχή MHz.Συνεπώς, η χρονική απόσταση μεταξύ των παλμών λέιζερ είναι μικρότερη, γεγονός που οδηγεί σε φαινόμενα συσσώρευσης θερμότητας 23, 24, 25, 26. Αυτή η επίδραση οδηγεί σε συνολική αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, η οποία μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τον μηχανισμό διαμόρφωσης κατά την αφαίρεση με λέιζερ.
Σε προηγούμενη εργασία, οι Rudenko et al.και Τζιμπίδης κ.ά.Συζητείται ένας μηχανισμός για το σχηματισμό συναγωγών δομών, ο οποίος θα πρέπει να γίνεται όλο και πιο σημαντικός όσο αυξάνεται η συσσώρευση θερμότητας19,27.Επιπλέον, οι Bauer et al.Συσχετίστε την κρίσιμη ποσότητα συσσώρευσης θερμότητας με επιφανειακές δομές micron.Παρά αυτή τη θερμικά επαγόμενη διαδικασία σχηματισμού δομής, πιστεύεται γενικά ότι η παραγωγικότητα της διαδικασίας μπορεί να βελτιωθεί απλώς αυξάνοντας τον ρυθμό επανάληψης28.Αν και αυτό, με τη σειρά του, δεν μπορεί να επιτευχθεί χωρίς σημαντική αύξηση της αποθήκευσης θερμότητας.Επομένως, οι στρατηγικές διεργασιών που παρέχουν μια τοπολογία πολλαπλών επιπέδων μπορεί να μην είναι φορητές σε υψηλότερους ρυθμούς επανάληψης χωρίς αλλαγή της κινητικής διεργασίας και του σχηματισμού δομής9,12.Από αυτή την άποψη, είναι πολύ σημαντικό να διερευνηθεί πώς η θερμοκρασία του υποστρώματος επηρεάζει τη διαδικασία σχηματισμού DLIP, ειδικά όταν φτιάχνουμε μοτίβα επιφανειών σε στρώσεις λόγω του ταυτόχρονου σχηματισμού LIPSS.
Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να αξιολογήσει την επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος στην προκύπτουσα τοπογραφία επιφάνειας κατά την επεξεργασία DLIP του ανοξείδωτου χάλυβα χρησιμοποιώντας παλμούς ps.Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας με λέιζερ, η θερμοκρασία του υποστρώματος δείγματος ανέβηκε στους 250 \(^\circ\)C χρησιμοποιώντας θερμαντική πλάκα.Οι επιφανειακές δομές που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν χρησιμοποιώντας ομοεστιακή μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας.
Στην πρώτη σειρά πειραμάτων, το χαλύβδινο υπόστρωμα υποβλήθηκε σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας μια διαμόρφωση DLIP δύο δοκών με χωρική περίοδο 4,5 μm και θερμοκρασία υποστρώματος \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, εφεξής καλούμενη «μη θερμαινόμενη» επιφάνεια.Σε αυτήν την περίπτωση, η επικάλυψη παλμών \(o_{\mathrm {p}}\) είναι η απόσταση μεταξύ δύο παλμών ως συνάρτηση του μεγέθους της κηλίδας.Κυμαίνεται από 99,0% (100 παλμοί ανά θέση) έως 99,67% (300 παλμοί ανά θέση).Σε όλες τις περιπτώσεις, χρησιμοποιήθηκε μια μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (για ένα ισοδύναμο Gauss χωρίς παρεμβολή) και μια συχνότητα επανάληψης f = 200 kHz.Η κατεύθυνση της πόλωσης της δέσμης λέιζερ είναι παράλληλη με την κίνηση του πίνακα τοποθέτησης (Εικ. 1α)), η οποία είναι παράλληλη με την κατεύθυνση της γραμμικής γεωμετρίας που δημιουργείται από το σχέδιο παρεμβολής δύο ακτίνων.Αντιπροσωπευτικές εικόνες των ληφθέντων δομών χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) φαίνονται στα Σχ.1a–c.Για να υποστηριχθεί η ανάλυση των εικόνων SEM ως προς την τοπογραφία, πραγματοποιήθηκαν μετασχηματισμοί Fourier (FFT, που εμφανίζονται σε σκούρα ένθετα) στις δομές που αξιολογούνται.Σε όλες τις περιπτώσεις, η προκύπτουσα γεωμετρία DLIP ήταν ορατή με χωρική περίοδο 4,5 μm.
Για την περίπτωση \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% στην πιο σκοτεινή περιοχή του Σχ.1α, που αντιστοιχεί στη θέση του μέγιστου παρεμβολής, μπορεί κανείς να παρατηρήσει αυλακώσεις που περιέχουν μικρότερες παράλληλες δομές.Εναλλάσσονται με φωτεινότερες ζώνες καλυμμένες σε μια τοπογραφία που μοιάζει με νανοσωματίδια.Επειδή η παράλληλη δομή μεταξύ των αυλακώσεων φαίνεται να είναι κάθετη στην πόλωση της δέσμης λέιζερ και έχει περίοδο \(\Λάμδα _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, ελαφρώς μικρότερο από το μήκος κύματος του λέιζερ \(\λάμδα\) (532 nm) μπορεί να ονομαστεί LIPSS με χαμηλή χωρική συχνότητα (LSFL-I)15,18.Το LSFL-I παράγει ένα λεγόμενο σήμα τύπου s στο FFT, «s» scattering15,20.Επομένως, το σήμα είναι κάθετο στο ισχυρό κεντρικό κατακόρυφο στοιχείο, το οποίο με τη σειρά του δημιουργείται από τη δομή DLIP (\(\Λάμδα _{\mathrm {DLIP}}\) \(\περίπου\) 4,5 μm).Το σήμα που παράγεται από τη γραμμική δομή του σχεδίου DLIP στην εικόνα FFT αναφέρεται ως "τύπος DLIP".
Εικόνες SEM επιφανειακών δομών που δημιουργήθηκαν με χρήση DLIP.Η μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα είναι \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (για ισοδύναμο Gaussian χωρίς θόρυβο) και ρυθμός επανάληψης f = 200 kHz.Οι εικόνες δείχνουν τη θερμοκρασία του δείγματος, την πόλωση και την επικάλυψη.Η κίνηση της φάσης εντοπισμού σημειώνεται με ένα μαύρο βέλος στο (α).Το μαύρο ένθετο δείχνει το αντίστοιχο FFT που λαμβάνεται από την εικόνα SEM 37,25\(\times\) 37,25 μm (εμφανίζεται έως ότου το κυματοδιάνυσμα γίνει \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 nm).Οι παράμετροι της διαδικασίας υποδεικνύονται σε κάθε σχήμα.
Κοιτάζοντας περαιτέρω στο Σχήμα 1, μπορείτε να δείτε ότι καθώς αυξάνεται η επικάλυψη \(o_{\mathrm {p}}\), το σιγμοειδές σήμα συγκεντρώνεται περισσότερο προς τον άξονα x του FFT.Το υπόλοιπο LSFL-I τείνει να είναι πιο παράλληλο.Επιπλέον, η σχετική ένταση του σήματος τύπου s μειώθηκε και η ένταση του σήματος τύπου DLIP αυξήθηκε.Αυτό οφείλεται σε όλο και πιο έντονες τάφρους με περισσότερη επικάλυψη.Επίσης, το σήμα του άξονα x μεταξύ του τύπου s και του κέντρου πρέπει να προέρχεται από μια δομή με τον ίδιο προσανατολισμό με το LSFL-I αλλά με μεγαλύτερη περίοδο (\(\Λάμδα _\mathrm {b}\) \(\περίπου \ ) 1,4 ± 0,2 μm) όπως φαίνεται στο Σχήμα 1γ).Ως εκ τούτου, θεωρείται ότι ο σχηματισμός τους είναι ένα σχέδιο λάκκων στο κέντρο της τάφρου.Το νέο χαρακτηριστικό εμφανίζεται επίσης στο εύρος υψηλής συχνότητας (μεγάλος κυματικός αριθμός) της τεταγμένης.Το σήμα προέρχεται από παράλληλους κυματισμούς στις πλαγιές της τάφρου, πιθανότατα λόγω της παρεμβολής προσπίπτοντος και φωτός που ανακλάται προς τα εμπρός στις πλαγιές9,14.Στη συνέχεια, αυτοί οι κυματισμοί συμβολίζονται με LSFL \ (_ \ mathrm {άκρη} \), και τα σήματα τους – κατά τύπο -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Στο επόμενο πείραμα, η θερμοκρασία του δείγματος ανέβηκε στους 250 °C κάτω από τη λεγόμενη «θερμασμένη» επιφάνεια.Η δόμηση πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με την ίδια στρατηγική επεξεργασίας με τα πειράματα που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα (Εικ. 1a–1c).Οι εικόνες SEM απεικονίζουν την προκύπτουσα τοπογραφία όπως φαίνεται στην Εικ. 1d–f.Η θέρμανση του δείγματος στους 250 C οδηγεί σε αύξηση της εμφάνισης LSFL, η κατεύθυνση του οποίου είναι παράλληλη με την πόλωση λέιζερ.Αυτές οι δομές μπορούν να χαρακτηριστούν ως LSFL-II και έχουν χωρική περίοδο \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) 247 ± 35 nm.Το σήμα LSFL-II δεν εμφανίζεται στο FFT λόγω της υψηλής συχνότητας λειτουργίας.Καθώς το \(o_{\mathrm {p}}\) αυξήθηκε από 99,0 σε 99,67\(\%\) (Εικ. 1d–e), το πλάτος της περιοχής φωτεινής ζώνης αυξήθηκε, γεγονός που οδήγησε στην εμφάνιση ενός σήματος DLIP για περισσότερες από υψηλές συχνότητες.κυματοαριθμοί (χαμηλότερες συχνότητες) και έτσι μετατοπίζονται προς το κέντρο του FFT.Οι σειρές κοιλωμάτων στο Σχ. 1δ μπορεί να είναι οι πρόδρομοι των λεγόμενων αυλακώσεων που σχηματίζονται κάθετα στο LSFL-I22,27.Επιπλέον, το LSFL-II φαίνεται να έχει γίνει πιο κοντό και έχει ακανόνιστο σχήμα.Σημειώστε επίσης ότι το μέσο μέγεθος των φωτεινών ζωνών με μορφολογία νανοκόκκων είναι μικρότερο σε αυτή την περίπτωση.Επιπλέον, η κατανομή μεγέθους αυτών των νανοσωματιδίων αποδείχθηκε ότι ήταν λιγότερο διασκορπισμένη (ή οδήγησε σε λιγότερη συσσωμάτωση σωματιδίων) από ό,τι χωρίς θέρμανση.Ποιοτικά, αυτό μπορεί να εκτιμηθεί συγκρίνοντας τα σχήματα 1a, d ή b, e, αντίστοιχα.
Καθώς η επικάλυψη \(o_{\mathrm {p}}\) αυξήθηκε περαιτέρω στο 99,67% (Εικ. 1στ), μια ξεχωριστή τοπογραφία προέκυψε σταδιακά λόγω των ολοένα και πιο εμφανών αυλακιών.Ωστόσο, αυτές οι αυλακώσεις φαίνονται λιγότερο διατεταγμένες και λιγότερο βαθιές από ό,τι στο Σχ. 1γ.Η χαμηλή αντίθεση μεταξύ φωτεινών και σκοτεινών περιοχών της εικόνας εμφανίζεται σε ποιότητα.Αυτά τα αποτελέσματα υποστηρίζονται περαιτέρω από το ασθενέστερο και πιο σκεδασμένο σήμα της τεταγμένης FFT στο Σχ. 1f σε σύγκριση με το FFT στο c.Μικρότερες ραβδώσεις ήταν επίσης εμφανείς κατά τη θέρμανση κατά τη σύγκριση των Σχημάτων 1b και e, κάτι που επιβεβαιώθηκε αργότερα με ομοεστιακή μικροσκοπία.
Εκτός από το προηγούμενο πείραμα, η πόλωση της δέσμης λέιζερ περιστράφηκε κατά 90 \(^{\circ}\), γεγονός που προκάλεσε την κατεύθυνση της πόλωσης να κινηθεί κάθετα στην πλατφόρμα τοποθέτησης.Στο σχ.Το 2a-c δείχνει τα πρώιμα στάδια του σχηματισμού της δομής, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% σε μη θερμαινόμενο (a), θερμαινόμενο (b) και θερμαινόμενο 90\(^{\ circ }\ ) – Περίπτωση με περιστρεφόμενη πόλωση (γ).Για την οπτικοποίηση της νανοτοπογραφίας των δομών, οι περιοχές που σημειώνονται με χρωματιστά τετράγωνα φαίνονται στα Σχ.2δ, σε μεγέθυνση.
Εικόνες SEM επιφανειακών δομών που δημιουργήθηκαν με χρήση DLIP.Οι παράμετροι της διαδικασίας είναι οι ίδιες όπως στο Σχ.1.Η εικόνα δείχνει τη θερμοκρασία δείγματος \(T_s\), την πόλωση και την επικάλυψη παλμών \(o_\mathrm {p}\).Το μαύρο ένθετο δείχνει ξανά τον αντίστοιχο μετασχηματισμό Fourier.Οι εικόνες στο (d)-(i) είναι μεγεθύνσεις των επισημασμένων περιοχών στο (a)-(c).
Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να φανεί ότι οι δομές στις πιο σκοτεινές περιοχές του Σχ. 2b,c είναι ευαίσθητες στην πόλωση και επομένως φέρουν την ετικέτα LSFL-II14, 20, 29, 30. Συγκεκριμένα, ο προσανατολισμός του LSFL-I περιστρέφεται επίσης ( Εικ. 2g, i), το οποίο φαίνεται από τον προσανατολισμό του σήματος τύπου s στο αντίστοιχο FFT.Το εύρος ζώνης της περιόδου LSFL-I εμφανίζεται μεγαλύτερο σε σύγκριση με την περίοδο b και το εύρος του μετατοπίζεται προς μικρότερες περιόδους στο Σχήμα 2c, όπως υποδεικνύεται από το πιο διαδεδομένο σήμα τύπου s.Έτσι, η ακόλουθη χωρική περίοδος LSFL μπορεί να παρατηρηθεί στο δείγμα σε διαφορετικές θερμοκρασίες θέρμανσης: \(\Λάμδα _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm στα 21 ^{ \circ }\ )C (Εικ. 2α), \(\Λάμδα _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm και \(\Λάμδα _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm στους 250°C (Εικ. 2b) για πόλωση s.Αντίθετα, η χωρική περίοδος p-πόλωσης και 250 \(^{\circ }\)C ισούται με \(\Λάμδα _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm και \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Εικ. 2γ).
Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας του δείγματος, η μορφολογία της επιφάνειας μπορεί να αλλάξει μεταξύ δύο άκρων, συμπεριλαμβανομένων (i) μιας επιφάνειας που περιέχει μόνο στοιχεία LSFL-I και (ii) μιας περιοχής που καλύπτεται με LSFL-II.Επειδή ο σχηματισμός αυτού του συγκεκριμένου τύπου LIPSS σε μεταλλικές επιφάνειες σχετίζεται με επιφανειακά στρώματα οξειδίου, πραγματοποιήθηκε ανάλυση διασποράς ενέργειας με ακτίνες Χ (EDX).Ο Πίνακας 1 συνοψίζει τα αποτελέσματα που προέκυψαν.Κάθε προσδιορισμός πραγματοποιείται με τη λήψη μέσου όρου τουλάχιστον τεσσάρων φασμάτων σε διαφορετικά σημεία στην επιφάνεια του επεξεργασμένου δείγματος.Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες δείγματος \(T_\mathrm{s}\) και διαφορετικές θέσεις της επιφάνειας του δείγματος που περιέχει μη δομημένες ή δομημένες περιοχές.Οι μετρήσεις περιέχουν επίσης πληροφορίες σχετικά με τα βαθύτερα μη οξειδωμένα στρώματα που βρίσκονται ακριβώς κάτω από την επεξεργασμένη τετηγμένη περιοχή, αλλά εντός του βάθους διείσδυσης ηλεκτρονίων της ανάλυσης EDX.Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι το EDX είναι περιορισμένο στην ικανότητά του να ποσοτικοποιεί την περιεκτικότητα σε οξυγόνο, επομένως αυτές οι τιμές εδώ μπορούν να δώσουν μόνο μια ποιοτική αξιολόγηση.
Τα μη επεξεργασμένα τμήματα των δειγμάτων δεν έδειξαν σημαντικές ποσότητες οξυγόνου σε όλες τις θερμοκρασίες λειτουργίας.Μετά τη θεραπεία με λέιζερ, τα επίπεδα οξυγόνου αυξήθηκαν σε όλες τις περιπτώσεις31.Η διαφορά στη στοιχειακή σύνθεση μεταξύ των δύο μη επεξεργασμένων δειγμάτων ήταν η αναμενόμενη για τα εμπορικά δείγματα χάλυβα και βρέθηκαν σημαντικά υψηλότερες τιμές άνθρακα σε σύγκριση με το φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή για χάλυβα AISI 304 λόγω μόλυνσης από υδρογονάνθρακες32.
Πριν συζητηθούν οι πιθανοί λόγοι για τη μείωση του βάθους της αφαίρεσης αύλακας και τη μετάβαση από το LSFL-I στο LSFL-II, χρησιμοποιούνται προφίλ φασματικής πυκνότητας ισχύος (PSD) και ύψους.
(i) Η οιονεί δισδιάστατη κανονικοποιημένη φασματική πυκνότητα ισχύος (Q2D-PSD) της επιφάνειας παρουσιάζεται ως εικόνες SEM στα Σχήματα 1 και 2. 1 και 2. Εφόσον το PSD είναι κανονικοποιημένο, θα πρέπει να μειωθεί το σήμα αθροίσματος κατανοητή ως αύξηση στο σταθερό μέρος (k \(\le\) 0,7 μm\(^{-1}\), δεν φαίνεται), δηλαδή ομαλότητα.(ii) Αντίστοιχο μέσο ύψος επιφάνειας.Η θερμοκρασία δείγματος \(T_s\), η επικάλυψη \(o_{\mathrm {p}}\) και η πόλωση λέιζερ Ε σε σχέση με τον προσανατολισμό \(\vec {v}\) της κίνησης της πλατφόρμας τοποθέτησης εμφανίζονται σε όλα τα σχέδια.
Για να ποσοτικοποιηθεί η εντύπωση των εικόνων SEM, δημιουργήθηκε ένα μέσο κανονικοποιημένο φάσμα ισχύος από τουλάχιστον τρεις εικόνες SEM για κάθε σύνολο παραμέτρων υπολογίζοντας τον μέσο όρο όλων των μονοδιάστατων (1D) φασματικών πυκνοτήτων ισχύος (PSD) στην κατεύθυνση x ή y.Το αντίστοιχο γράφημα φαίνεται στο Σχ. 3i που δείχνει τη μετατόπιση συχνότητας του σήματος και τη σχετική συνεισφορά του στο φάσμα.
Στο σχ.3ia, c, e, η κορυφή DLIP αυξάνεται κοντά στο \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 μm)\(^{-1}\) = 1,4 μm \ ( ^{- 1}\) ή τις αντίστοιχες υψηλότερες αρμονικές καθώς αυξάνεται η επικάλυψη \(o_{\mathrm {p))\).Μια αύξηση στο θεμελιώδες πλάτος συνδέθηκε με μια ισχυρότερη ανάπτυξη της δομής LRIB.Το πλάτος των υψηλότερων αρμονικών αυξάνεται με την απότομη κλίση.Για ορθογώνιες συναρτήσεις ως περιοριστικές περιπτώσεις, η προσέγγιση απαιτεί τον μεγαλύτερο αριθμό συχνοτήτων.Επομένως, η κορυφή γύρω στα 1,4 μm\(^{-1}\) στο PSD και οι αντίστοιχες αρμονικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ποιοτικές παράμετροι για το σχήμα του αυλακιού.
Αντίθετα, όπως φαίνεται στο Σχ. 3(i)b,d,f, το PSD του θερμαινόμενου δείγματος δείχνει ασθενέστερες και ευρύτερες κορυφές με λιγότερο σήμα στις αντίστοιχες αρμονικές.Επιπλέον, στο σχ.Το 3(i)f δείχνει ότι το δεύτερο αρμονικό σήμα υπερβαίνει ακόμη και το θεμελιώδες σήμα.Αυτό αντανακλά την πιο ακανόνιστη και λιγότερο έντονη δομή DLIP του θερμαινόμενου δείγματος (σε σύγκριση με \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι ότι καθώς αυξάνεται η επικάλυψη \(o_{\mathrm {p}}\), το προκύπτον σήμα LSFL-I μετατοπίζεται προς έναν μικρότερο κυματικό αριθμό (μεγαλύτερη περίοδος).Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την αυξημένη κλίση των άκρων της λειτουργίας DLIP και τη σχετική τοπική αύξηση στη γωνία πρόσπτωσης14,33.Ακολουθώντας αυτή την τάση, θα μπορούσε επίσης να εξηγηθεί η διεύρυνση του σήματος LSFL-I.Εκτός από τις απότομες πλαγιές, υπάρχουν επίσης επίπεδες περιοχές στο κάτω μέρος και πάνω από τις κορυφές της δομής DLIP, επιτρέποντας ένα ευρύτερο φάσμα περιόδων LSFL-I.Για υλικά υψηλής απορροφητικότητας, η περίοδος LSFL-I συνήθως υπολογίζεται ως:
όπου \(\theta\) είναι η γωνία πρόσπτωσης, και οι δείκτης s και p αναφέρονται σε διαφορετικές πολώσεις33.
Πρέπει να σημειωθεί ότι το επίπεδο πρόσπτωσης για μια ρύθμιση DLIP είναι συνήθως κάθετο στην κίνηση της πλατφόρμας τοποθέτησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 (δείτε την ενότητα Υλικά και Μέθοδοι).Επομένως, η πόλωση s, κατά κανόνα, είναι παράλληλη με την κίνηση της σκηνής και η p-πόλωση είναι κάθετη σε αυτήν.Σύμφωνα με την εξίσωση.(1), για την πόλωση s, αναμένεται εξάπλωση και μετατόπιση του σήματος LSFL-I προς μικρότερους κυματοαριθμούς.Αυτό οφείλεται στην αύξηση του \(\theta\) και του γωνιακού εύρους \(\theta \pm \delta \theta\) καθώς αυξάνεται το βάθος της τάφρου.Αυτό μπορεί να φανεί συγκρίνοντας τις κορυφές LSFL-I στο Σχ. 3ia,c,e.
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που φαίνονται στο σχ.1c, το LSFL\(_\mathrm {edge}\) είναι επίσης ορατό στο αντίστοιχο PSD στην εικ.3ie.Στο σχ.Το 3ig,h δείχνει το PSD για p-πόλωση.Η διαφορά στις κορυφές DLIP είναι πιο έντονη μεταξύ των θερμαινόμενων και των μη θερμανθέντων δειγμάτων.Σε αυτή την περίπτωση, το σήμα από το LSFL-I επικαλύπτεται με τις υψηλότερες αρμονικές της κορυφής DLIP, προσθέτοντας στο σήμα κοντά στο μήκος κύματος lasing.
Για να συζητήσουμε τα αποτελέσματα με περισσότερες λεπτομέρειες, στο Σχ. 3ii δείχνει το δομικό βάθος και την επικάλυψη μεταξύ των παλμών της γραμμικής κατανομής ύψους DLIP σε διάφορες θερμοκρασίες.Το κατακόρυφο προφίλ ύψους της επιφάνειας λήφθηκε με τον μέσο όρο δέκα μεμονωμένων κατακόρυφων προφίλ ύψους γύρω από το κέντρο της δομής DLIP.Για κάθε εφαρμοζόμενη θερμοκρασία, το βάθος της δομής αυξάνεται με την αύξηση της επικάλυψης παλμών.Το προφίλ του θερμαινόμενου δείγματος δείχνει αυλακώσεις με μέσες τιμές κορυφής σε κορυφή (pvp) 0,87 μm για πόλωση s και 1,06 μm για πόλωση p.Αντίθετα, η πόλωση s και η p-πόλωση του μη θερμανθέντος δείγματος δείχνουν pvp 1,75 μm και 2,33 μm, αντίστοιχα.Το αντίστοιχο pvp απεικονίζεται στο προφίλ ύψους στο σχ.3ii.Κάθε μέσος όρος PvP υπολογίζεται με τον μέσο όρο οκτώ μεμονωμένων PvP.
Επιπλέον, στο σχ.Το σχήμα 3iig,h δείχνει την κατανομή ύψους p-πόλωσης κάθετα στο σύστημα τοποθέτησης και την κίνηση του αυλακιού.Η κατεύθυνση της πόλωσης p έχει θετική επίδραση στο βάθος του αυλακιού, καθώς έχει ως αποτέλεσμα ελαφρώς υψηλότερο pvp στα 2,33 μm σε σύγκριση με την πόλωση s στα 1,75 μm pvp.Αυτό με τη σειρά του αντιστοιχεί στις αυλακώσεις και την κίνηση του συστήματος πλατφόρμας τοποθέτησης.Αυτό το φαινόμενο μπορεί να προκληθεί από μια μικρότερη δομή στην περίπτωση της πόλωσης s σε σύγκριση με την περίπτωση της π-πόλωσης (βλ. Εικ. 2f,h), η οποία θα συζητηθεί περαιτέρω στην επόμενη ενότητα.
Ο σκοπός της συζήτησης είναι να εξηγήσει τη μείωση του βάθους της αυλάκωσης λόγω της αλλαγής στην κύρια κατηγορία LIPS (LSFL-I σε LSFL-II) στην περίπτωση των θερμαινόμενων δειγμάτων.Απαντήστε λοιπόν στις παρακάτω ερωτήσεις:
Για να απαντηθεί το πρώτο ερώτημα, είναι απαραίτητο να εξεταστούν οι μηχανισμοί που ευθύνονται για τη μείωση της κατάλυσης.Για έναν μόνο παλμό σε κανονική συχνότητα, το βάθος κατάλυσης μπορεί να περιγραφεί ως:
όπου \(\δέλτα _{\mathrm {E}}\) είναι το βάθος διείσδυσης ενέργειας, \(\Phi\) και \(\Phi _{\mathrm {th}}\) είναι η ροή απορρόφησης και η ροή αφαίρεσης κατώφλι, αντίστοιχα34 .
Μαθηματικά, το βάθος διείσδυσης ενέργειας έχει πολλαπλασιαστική επίδραση στο βάθος της κατάλυσης, ενώ η μεταβολή της ενέργειας έχει λογαριθμική επίδραση.Έτσι, οι αλλαγές ροής δεν επηρεάζουν το \(\Delta z\) όσο \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Ωστόσο, η ισχυρή οξείδωση (για παράδειγμα, λόγω του σχηματισμού οξειδίου του χρωμίου) οδηγεί σε ισχυρότερους δεσμούς Cr-O35 σε σύγκριση με τους δεσμούς Cr-Cr, αυξάνοντας έτσι το κατώφλι κατάλυσης.Κατά συνέπεια, το \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) δεν είναι πλέον ικανοποιημένο, γεγονός που οδηγεί σε ταχεία μείωση του βάθους κατάλυσης με μείωση της πυκνότητας ροής ενέργειας.Επιπλέον, είναι γνωστή μια συσχέτιση μεταξύ της κατάστασης οξείδωσης και της περιόδου του LSFL-II, η οποία μπορεί να εξηγηθεί από τις αλλαγές στην ίδια τη νανοδομή και τις οπτικές ιδιότητες της επιφάνειας που προκαλούνται από την επιφανειακή οξείδωση30,35.Επομένως, η ακριβής επιφανειακή κατανομή της ροής απορρόφησης \(\Phi\) οφείλεται στη σύνθετη δυναμική της αλληλεπίδρασης μεταξύ της δομικής περιόδου και του πάχους του στρώματος οξειδίου.Ανάλογα με την περίοδο, η νανοδομή επηρεάζει έντονα την κατανομή της απορροφούμενης ροής ενέργειας λόγω μιας απότομης αύξησης του πεδίου, της διέγερσης των επιφανειακών πλασμονίων, της έκτακτης μεταφοράς φωτός ή της σκέδασης17,19,20,21.Επομένως, το \(\Phi\) είναι έντονα ανομοιογενές κοντά στην επιφάνεια και το \(\δέλτα _ {E}\) πιθανώς δεν είναι πλέον δυνατό με έναν συντελεστή απορρόφησης \(\άλφα = \δέλτα _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) για ολόκληρο τον όγκο κοντά στην επιφάνεια.Δεδομένου ότι το πάχος του φιλμ οξειδίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον χρόνο στερεοποίησης [26], η επίδραση της ονοματολογίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία του δείγματος.Οι οπτικές μικρογραφίες που φαίνονται στο Σχήμα S1 στο Συμπληρωματικό Υλικό υποδεικνύουν αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες.
Αυτά τα φαινόμενα εξηγούν εν μέρει το μικρότερο βάθος τάφρου στην περίπτωση μικρών επιφανειακών κατασκευών στα Σχήματα 1d,e και 2b,c και 3(ii)b,d,f.
Το LSFL-II είναι γνωστό ότι σχηματίζεται σε ημιαγωγούς, διηλεκτρικά και υλικά επιρρεπή σε οξείδωση14,29,30,36,37.Στην τελευταία περίπτωση, το πάχος του επιφανειακού στρώματος οξειδίου είναι ιδιαίτερα σημαντικό30.Η ανάλυση EDX που πραγματοποιήθηκε αποκάλυψε το σχηματισμό επιφανειακών οξειδίων στη δομημένη επιφάνεια.Έτσι, για μη θερμαινόμενα δείγματα, το οξυγόνο του περιβάλλοντος φαίνεται να συμβάλλει στον μερικό σχηματισμό αερίων σωματιδίων και εν μέρει στο σχηματισμό επιφανειακών οξειδίων.Και τα δύο φαινόμενα συμβάλλουν σημαντικά σε αυτή τη διαδικασία.Αντίθετα, για θερμαινόμενα δείγματα, οξείδια μετάλλων διαφόρων καταστάσεων οξείδωσης (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, κ.λπ.) είναι ξεκάθαρα 38 υπέρ.Εκτός από το απαιτούμενο στρώμα οξειδίου, η παρουσία τραχύτητας υπομήκους κύματος, κυρίως υψηλής χωρικής συχνότητας LIPSS (HSFL), είναι απαραίτητη για τον σχηματισμό των απαιτούμενων τρόπων έντασης υπομήκους κύματος (τύπου d)14,30.Η τελική λειτουργία έντασης LSFL-II είναι συνάρτηση του πλάτους HSFL και του πάχους του οξειδίου.Ο λόγος για αυτόν τον τρόπο λειτουργίας είναι η παρέμβαση του φωτός που σκεδάζεται από το HSFL και το φως που διαθλάται στο υλικό και διαδίδεται μέσα στο επιφανειακό διηλεκτρικό υλικό20,29,30.Οι εικόνες SEM της άκρης του σχεδίου επιφάνειας στο Σχήμα S2 στην ενότητα Συμπληρωματικά Υλικά είναι ενδεικτικές του προϋπάρχοντος HSFL.Αυτή η εξωτερική περιοχή επηρεάζεται ασθενώς από την περιφέρεια της κατανομής της έντασης, η οποία επιτρέπει το σχηματισμό HSFL.Λόγω της συμμετρίας της κατανομής της έντασης, αυτό το φαινόμενο λαμβάνει χώρα επίσης κατά μήκος της κατεύθυνσης σάρωσης.
Η θέρμανση του δείγματος επηρεάζει τη διαδικασία σχηματισμού LSFL-II με διάφορους τρόπους.Από τη μία πλευρά, μια αύξηση στη θερμοκρασία του δείγματος \(T_\mathrm{s}\) έχει πολύ μεγαλύτερη επίδραση στον ρυθμό στερεοποίησης και ψύξης από το πάχος του τηγμένου στρώματος26.Έτσι, η υγρή διεπιφάνεια ενός θερμαινόμενου δείγματος εκτίθεται σε οξυγόνο περιβάλλοντος για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.Επιπλέον, η καθυστερημένη στερεοποίηση επιτρέπει την ανάπτυξη πολύπλοκων διαδικασιών μεταφοράς που αυξάνουν την ανάμειξη οξυγόνου και οξειδίων με υγρό χάλυβα26.Αυτό μπορεί να αποδειχθεί συγκρίνοντας το πάχος του στρώματος οξειδίου που σχηματίζεται μόνο με διάχυση (\(\Λάμδα _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Ο αντίστοιχος χρόνος πήξης είναι \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns και ο συντελεστής διάχυσης \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Σημαντικά υψηλότερο πάχος παρατηρήθηκε ή απαιτήθηκε στον σχηματισμό LSFL-II30.Από την άλλη πλευρά, η θέρμανση επηρεάζει επίσης τον σχηματισμό του HSFL και ως εκ τούτου τα αντικείμενα σκέδασης που απαιτούνται για τη μετάβαση στη λειτουργία έντασης τύπου d LSFL-II.Η έκθεση των νανοειδών παγιδευμένων κάτω από την επιφάνεια υποδηλώνει τη συμμετοχή τους στο σχηματισμό του HSFL39.Αυτά τα ελαττώματα μπορεί να αντιπροσωπεύουν την ηλεκτρομαγνητική προέλευση του HSFL λόγω των απαιτούμενων μοτίβων περιοδικής έντασης υψηλής συχνότητας14,17,19,29.Επιπλέον, αυτές οι παραγόμενες λειτουργίες έντασης είναι πιο ομοιόμορφες με μεγάλο αριθμό νανοειδών19.Έτσι, ο λόγος για την αυξημένη επίπτωση του HSFL μπορεί να εξηγηθεί από την αλλαγή στη δυναμική των κρυσταλλικών ελαττωμάτων καθώς αυξάνεται το \(T_\mathrm{s}\).
Πρόσφατα αποδείχθηκε ότι ο ρυθμός ψύξης του πυριτίου είναι βασική παράμετρος για τον εγγενή διάμεσο υπερκορεσμό και συνεπώς για τη συσσώρευση σημειακών ελαττωμάτων με το σχηματισμό εξαρθρώσεων40,41.Οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής των καθαρών μετάλλων έχουν δείξει ότι οι κενές θέσεις υπερκορεσμένες κατά τη διάρκεια της ταχείας ανακρυστάλλωσης, και ως εκ τούτου η συσσώρευση κενών θέσεων σε μέταλλα προχωρά με παρόμοιο τρόπο42,43,44.Επιπλέον, πρόσφατες πειραματικές μελέτες του αργύρου επικεντρώθηκαν στον μηχανισμό σχηματισμού κενών και συστάδων λόγω της συσσώρευσης σημειακών ελαττωμάτων45.Επομένως, μια αύξηση στη θερμοκρασία του δείγματος \(T_\mathrm {s}\) και, κατά συνέπεια, μια μείωση του ρυθμού ψύξης μπορεί να επηρεάσει το σχηματισμό κενών, που είναι οι πυρήνες του HSFL.
Εάν οι κενές θέσεις είναι οι απαραίτητοι πρόδρομοι για τις κοιλότητες και ως εκ τούτου το HSFL, η θερμοκρασία του δείγματος \(T_s\) θα πρέπει να έχει δύο αποτελέσματα.Από τη μία πλευρά, το \(T_s\) επηρεάζει τον ρυθμό ανακρυστάλλωσης και, κατά συνέπεια, τη συγκέντρωση των σημειακών ελαττωμάτων (συγκέντρωση κενής θέσης) στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο.Από την άλλη πλευρά, επηρεάζει επίσης τον ρυθμό ψύξης μετά τη στερεοποίηση, επηρεάζοντας έτσι τη διάχυση των σημειακών ελαττωμάτων στον κρύσταλλο 40,41.Επιπλέον, ο ρυθμός στερεοποίησης εξαρτάται από τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό και επομένως είναι εξαιρετικά ανισότροπος, όπως και η διάχυση των σημειακών ελαττωμάτων42,43.Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, λόγω της ανισότροπης απόκρισης του υλικού, η αλληλεπίδραση φωτός και ύλης γίνεται ανισότροπη, γεγονός που με τη σειρά του ενισχύει αυτήν την ντετερμινιστική περιοδική απελευθέρωση ενέργειας.Για πολυκρυσταλλικά υλικά, αυτή η συμπεριφορά μπορεί να περιοριστεί από το μέγεθος ενός μόνο κόκκου.Στην πραγματικότητα, ο σχηματισμός LIPSS έχει αποδειχθεί ανάλογα με τον προσανατολισμό των κόκκων46,47.Επομένως, η επίδραση της θερμοκρασίας δείγματος \(T_s\) στον ρυθμό κρυστάλλωσης μπορεί να μην είναι τόσο ισχυρή όσο η επίδραση του προσανατολισμού των κόκκων.Έτσι, ο διαφορετικός κρυσταλλογραφικός προσανατολισμός διαφορετικών κόκκων παρέχει μια πιθανή εξήγηση για την αύξηση των κενών και τη συσσωμάτωση των HSFL ή LSFL-II, αντίστοιχα.
Για να διευκρινιστούν οι αρχικές ενδείξεις αυτής της υπόθεσης, τα ακατέργαστα δείγματα χαράχτηκαν για να αποκαλυφθεί ο σχηματισμός κόκκων κοντά στην επιφάνεια.Σύγκριση κόκκων στο σχ.Το S3 φαίνεται στο συμπληρωματικό υλικό.Επιπλέον, τα LSFL-I και LSFL-II εμφανίστηκαν σε ομάδες σε θερμαινόμενα δείγματα.Το μέγεθος και η γεωμετρία αυτών των συστάδων αντιστοιχεί στο μέγεθος των κόκκων.
Επιπλέον, το HSFL εμφανίζεται μόνο σε στενό εύρος σε χαμηλές πυκνότητες ροής λόγω της συναγωγικής του προέλευσης19,29,48.Επομένως, σε πειράματα, αυτό συμβαίνει πιθανώς μόνο στην περιφέρεια του προφίλ της δέσμης.Ως εκ τούτου, το HSFL σχηματίστηκε σε μη οξειδωμένες ή ασθενώς οξειδωμένες επιφάνειες, κάτι που έγινε εμφανές κατά τη σύγκριση των κλασμάτων οξειδίου των επεξεργασμένων και μη επεξεργασμένων δειγμάτων (βλ. πίνακα reftab: παράδειγμα).Αυτό επιβεβαιώνει την υπόθεση ότι το στρώμα οξειδίου προκαλείται κυρίως από το λέιζερ.
Δεδομένου ότι ο σχηματισμός LIPSS τυπικά εξαρτάται από τον αριθμό των παλμών λόγω ανατροφοδότησης μεταξύ των παλμών, τα HSFL μπορούν να αντικατασταθούν από μεγαλύτερες δομές καθώς αυξάνεται η επικάλυψη παλμών19.Ένα λιγότερο κανονικό HSFL έχει ως αποτέλεσμα ένα λιγότερο κανονικό μοτίβο έντασης (d-mode) που απαιτείται για το σχηματισμό του LSFL-II.Επομένως, καθώς αυξάνεται η επικάλυψη του \(o_\mathrm {p}\) (βλ. Εικ. 1 από το de), η κανονικότητα του LSFL-II μειώνεται.
Αυτή η μελέτη διερεύνησε την επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος στη μορφολογία της επιφάνειας του δομημένου λέιζερ από ανοξείδωτο χάλυβα με DLIP.Έχει βρεθεί ότι η θέρμανση του υποστρώματος από τους 21 στους 250°C οδηγεί σε μείωση του βάθους αφαίρεσης από 1,75 σε 0,87 μm στην πόλωση s και από 2,33 σε 1,06 μm στην π-πόλωση.Αυτή η μείωση οφείλεται στην αλλαγή του τύπου LIPSS από LSFL-I σε LSFL-II, η οποία σχετίζεται με ένα επιφανειακό στρώμα οξειδίου που προκαλείται από λέιζερ σε υψηλότερη θερμοκρασία δείγματος.Επιπλέον, το LSFL-II μπορεί να αυξήσει την οριακή ροή λόγω αυξημένης οξείδωσης.Θεωρείται ότι σε αυτό το τεχνολογικό σύστημα με υψηλή επικάλυψη παλμών, μέση ενεργειακή πυκνότητα και μέσο ρυθμό επανάληψης, η εμφάνιση του LSFL-II καθορίζεται επίσης από την αλλαγή στη δυναμική εξάρθρωσης που προκαλείται από τη θέρμανση του δείγματος.Η συσσώρευση του LSFL-II υποτίθεται ότι οφείλεται στον σχηματισμό νανοειδών που εξαρτάται από τον προσανατολισμό των κόκκων, που οδηγεί στο HSFL ως πρόδρομο του LSFL-II.Επιπλέον, μελετάται η επίδραση της κατεύθυνσης της πόλωσης στη δομική περίοδο και στο εύρος ζώνης της δομικής περιόδου.Αποδεικνύεται ότι η p-πόλωση είναι πιο αποτελεσματική για τη διαδικασία DLIP όσον αφορά το βάθος κατάλυσης.Συνολικά, αυτή η μελέτη αποκαλύπτει ένα σύνολο παραμέτρων διαδικασίας για τον έλεγχο και τη βελτιστοποίηση του βάθους της αφαίρεσης DLIP για τη δημιουργία προσαρμοσμένων μοτίβων επιφάνειας.Τέλος, η μετάβαση από το LSFL-I στο LSFL-II βασίζεται εξ ολοκλήρου στη θερμότητα και αναμένεται μια μικρή αύξηση στον ρυθμό επανάληψης με σταθερή επικάλυψη παλμών λόγω της αυξημένης συσσώρευσης θερμότητας24.Όλες αυτές οι πτυχές σχετίζονται με την επερχόμενη πρόκληση της επέκτασης της διαδικασίας DLIP, για παράδειγμα μέσω της χρήσης πολυγωνικών συστημάτων σάρωσης49.Για να ελαχιστοποιηθεί η συσσώρευση θερμότητας, μπορεί να ακολουθηθεί η ακόλουθη στρατηγική: διατηρήστε την ταχύτητα σάρωσης του πολυγωνικού σαρωτή όσο το δυνατόν υψηλότερη, εκμεταλλευόμενοι το μεγαλύτερο μέγεθος κηλίδας λέιζερ, ορθογώνια προς την κατεύθυνση σάρωσης και χρησιμοποιώντας τη βέλτιστη αφαίρεση.fluence 28. Επιπλέον, αυτές οι ιδέες επιτρέπουν τη δημιουργία σύνθετης ιεραρχικής τοπογραφίας για προηγμένη λειτουργικότητα επιφάνειας χρησιμοποιώντας DLIP.
Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτρογυαλισμένες πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) πάχους 0,8 mm.Για να αφαιρεθούν τυχόν μολυντές από την επιφάνεια, τα δείγματα πλύθηκαν προσεκτικά με αιθανόλη πριν από την επεξεργασία με λέιζερ (απόλυτη συγκέντρωση αιθανόλης \(\ge\) 99,9%).
Η ρύθμιση DLIP φαίνεται στο Σχήμα 4. Τα δείγματα κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας ένα σύστημα DLIP εξοπλισμένο με πηγή λέιζερ υπερβραχέων παλμών 12 ps με μήκος κύματος 532 nm και μέγιστο ρυθμό επανάληψης 50 MHz.Η χωρική κατανομή της ενέργειας της δέσμης είναι Gaussian.Τα ειδικά σχεδιασμένα οπτικά παρέχουν μια συμβολομετρική διαμόρφωση διπλής δέσμης για τη δημιουργία γραμμικών δομών στο δείγμα.Ένας φακός με εστιακή απόσταση 100 mm υπερθέτει δύο πρόσθετες ακτίνες λέιζερ στην επιφάνεια σε μια σταθερή γωνία 6,8\(^\circ\), η οποία δίνει μια χωρική περίοδο περίπου 4,5 μm.Περισσότερες πληροφορίες για την πειραματική ρύθμιση μπορείτε να βρείτε αλλού50.
Πριν από την επεξεργασία με λέιζερ, το δείγμα τοποθετείται σε θερμαντική πλάκα σε συγκεκριμένη θερμοκρασία.Η θερμοκρασία της θερμαντικής πλάκας ρυθμίστηκε στους 21 και 250°C.Σε όλα τα πειράματα, ένας εγκάρσιος πίδακας πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιήθηκε σε συνδυασμό με μια συσκευή εξάτμισης για να αποτρέψει την εναπόθεση σκόνης στα οπτικά.Ένα σύστημα σταδίου x,y έχει ρυθμιστεί για να τοποθετήσει το δείγμα κατά τη διάρκεια της δόμησης.
Η ταχύτητα του συστήματος σταδίου τοποθέτησης κυμαινόταν από 66 έως 200 mm/s για να επιτευχθεί επικάλυψη μεταξύ παλμών από 99,0 έως 99,67 \(\%\) αντίστοιχα.Σε όλες τις περιπτώσεις, ο ρυθμός επανάληψης καθορίστηκε στα 200 kHz και η μέση ισχύς ήταν 4 W, που έδωσε ενέργεια ανά παλμό 20 μJ.Η διάμετρος δέσμης που χρησιμοποιείται στο πείραμα DLIP είναι περίπου 100 μm και η προκύπτουσα μέγιστη πυκνότητα ενέργειας λέιζερ είναι 0,5 J/cm\(^{2}\).Η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται ανά μονάδα επιφάνειας είναι η μέγιστη αθροιστική ροή που αντιστοιχεί σε 50 J/cm\(^2\) για \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) για \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) και 150 J/cm\(^2\) για \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Χρησιμοποιήστε την πλάκα \(\λάμδα\)/2 για να αλλάξετε την πόλωση της δέσμης λέιζερ.Για κάθε σύνολο παραμέτρων που χρησιμοποιείται, μια περιοχή περίπου 35 × 5 mm\(^{2}\) έχει υφή στο δείγμα.Όλα τα δομημένα πειράματα διεξήχθησαν υπό συνθήκες περιβάλλοντος για να εξασφαλιστεί η βιομηχανική εφαρμογή.
Η μορφολογία των δειγμάτων εξετάστηκε χρησιμοποιώντας ομοεστιακό μικροσκόπιο με μεγέθυνση 50x και οπτική και κατακόρυφη ανάλυση 170 nm και 3 nm, αντίστοιχα.Τα τοπογραφικά δεδομένα που συλλέχθηκαν στη συνέχεια αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας λογισμικό ανάλυσης επιφάνειας.Εξαγωγή προφίλ από δεδομένα εδάφους σύμφωνα με το ISO 1661051.
Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν επίσης χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης σε τάση επιτάχυνσης 6,0 kV.Η χημική σύσταση της επιφάνειας των δειγμάτων αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας προσάρτηση φασματοσκοπίας ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας (EDS) σε τάση επιτάχυνσης 15 kV.Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο με αντικειμενικό φακό 50x για τον προσδιορισμό της κοκκώδους μορφολογίας της μικροδομής των δειγμάτων. Πριν από αυτό, τα δείγματα χαράχθηκαν σε σταθερή θερμοκρασία 50 \(^\circ\)C για πέντε λεπτά σε χρώση από ανοξείδωτο χάλυβα με συγκέντρωση υδροχλωρικού οξέος και νιτρικού οξέος 15–20 \(\%\) και 1\( -<\)5 \(\%\), αντίστοιχα. Πριν από αυτό, τα δείγματα χαράχθηκαν σε σταθερή θερμοκρασία 50 \(^\circ\)C για πέντε λεπτά σε χρώση από ανοξείδωτο χάλυβα με συγκέντρωση υδροχλωρικού οξέος και νιτρικού οξέος 15–20 \(\%\) και 1\( -<\)5 \(\%\), αντίστοιχα. Перед этим образцы травили при постоянной θερμοκρασία 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут в краске из нержавеющей стали соляной и асотной кислотами центрацией 15-20 \(\%( -\) и 1 \%\) соответственно. Πριν από αυτό, τα δείγματα χαράχτηκαν σε σταθερή θερμοκρασία 50 \(^\circ\)C για πέντε λεπτά σε ανοξείδωτη βαφή με υδροχλωρικό και νιτρικό οξύ με συγκέντρωση 15-20 \(\%\) και 1\( -<\)5 \( \%\) αντίστοιχα.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50 ) 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。Πριν από αυτό, τα δείγματα παστώθηκαν για πέντε λεπτά σε σταθερή θερμοκρασία 50 \(^\circ\)C σε διάλυμα χρώσης για ανοξείδωτο χάλυβα με συγκέντρωση υδροχλωρικού και νιτρικού οξέος 15-20 \(\%\) και 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) αντίστοιχα.
Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής ρύθμισης μιας διάταξης DLIP δύο ακτίνων, που περιλαμβάνει (1) μια δέσμη λέιζερ, (2) μια πλάκα \(\λάμδα\)/2, (3) μια κεφαλή DLIP με μια συγκεκριμένη οπτική διαμόρφωση, (4 ) μια θερμή πλάκα, (5) μια διασταυρούμενη ρευστότητα, (6) βήματα τοποθέτησης x,y και (7) δείγματα από ανοξείδωτο χάλυβα.Δύο επάλληλες δέσμες, κυκλωμένες με κόκκινο χρώμα στα αριστερά, δημιουργούν γραμμικές δομές στο δείγμα σε γωνίες \(2\theta\) (συμπεριλαμβανομένης και της πόλωσης s και p).
Τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιούνται ή/και αναλύονται στην τρέχουσα μελέτη είναι διαθέσιμα από τους αντίστοιχους συγγραφείς κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-07-2023