Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
Direkte laser ynterferinsje (DLIP) kombinearre mei laser-induzearre periodike oerflakstruktuer (LIPSS) makket it ta stân kommen fan funksjonele oerflakken foar ferskate materialen.De trochstreaming fan it proses wurdt normaal ferhege troch it brûken fan in hegere gemiddelde laserkrêft.Dit liedt lykwols ta it sammeljen fan waarmte, dy't ynfloed hat op 'e rûchheid en foarm fan it resultearjende oerflakpatroan.Dêrom is it nedich om yn detail de ynfloed fan 'e substraattemperatuer op' e morfology fan 'e fabrisearre eleminten te bestudearjen.Yn dizze stúdzje waard it stielen oerflak line-patroan mei ps-DLIP by 532 nm.Om it effekt fan substraattemperatuer op 'e resultearjende topografy te ûndersykjen, waard in ferwaarmingsplaat brûkt om de temperatuer te kontrolearjen.Ferwaarming nei 250 \(^{\circ }\)С late ta in signifikante fermindering fan 'e djipte fan' e foarme struktueren fan 2,33 oant 1,06 µm.De fermindering waard ferbûn mei it uterlik fan ferskate soarten LIPSS ôfhinklik fan 'e oriïntaasje fan' e substraatkorrels en laser-induzearre oerflakoksidaasje.Dizze stúdzje lit it sterke effekt fan substraattemperatuer sjen, wat ek ferwachte wurdt as oerflakbehanneling wurdt útfierd op hege gemiddelde laserkrêft om effekten fan waarmteakkumulaasje te meitsjen.
Surface behanneling metoaden basearre op ultrakoarte puls laser bestraling binne oan 'e foargrûn fan wittenskip en yndustry fanwege harren fermogen om te ferbetterjen oerflak eigenskippen fan de meast wichtige relevante materialen1.Benammen laser-induzearre oanpaste oerflak funksjonaliteit is state-of-the-art oer in breed skala oan yndustriële sektoaren en tapassing senario1,2,3.Bygelyks, Vercillo et al.Anti-icing-eigenskippen binne oantoand op titanium-legeringen foar loftfeartapplikaasjes basearre op laser-induzearre superhydrofobisiteit.Epperlein et al melde dat nanogrutte funksjes produsearre troch laser-oerflakstrukturearring kinne ynfloed op biofilmgroei of ynhibysje op stielen eksimplaren5.Derneist, Guai et al.ferbettere ek de optyske eigenskippen fan organyske sinnesellen.6 Sa, laser strukturearring lit de produksje fan hege-resolúsje strukturele eleminten troch kontrolearre ablation fan it oerflak materiaal1.
In gaadlike laserstruktureringstechnyk foar it produsearjen fan sokke periodike oerflakstruktueren is direkte laser-ynterferinsjefoarming (DLIP).DLIP is basearre op de near-oerflak ynterferinsje fan twa of mear laser beams te foarmjen patroon oerflakken mei skaaimerken yn de mikrometer en nanometer berik.Ofhinklik fan it oantal en polarisaasje fan 'e laserstralen kin DLIP in breed ferskaat oan topografyske oerflakstruktueren ûntwerpe en meitsje.In kânsrike oanpak is om DLIP-struktueren te kombinearjen mei laser-induzearre periodike oerflakstruktueren (LIPSS) om in oerflaktopografy te meitsjen mei in komplekse strukturele hierargy8,9,10,11,12.Yn 'e natuer is oantoand dat dizze hiërargyen noch bettere prestaasjes leverje dan modellen op ien skaal13.
De LIPSS-funksje is ûnderwurpen oan in selsfersterkende proses (positive feedback) basearre op in tanimmende near-oerflakmodulaasje fan 'e ferdieling fan strielingintensiteit.Dit komt troch in tanimming fan nanoroughness as it oantal tapaste laser pulses tanimt 14, 15, 16. Modulation komt foaral troch de ynterferinsje fan de útstjoerd weach mei it elektromagnetyske fjild15,17,18,19,20,21 fan refracted en ferspraat wave komponinten of oerflak plasmons.De formaasje fan LIPSS wurdt ek beynfloede troch de timing fan 'e pulses22,23.Benammen hegere gemiddelde laserkrêften binne ûnmisber foar oerflakbehannelingen mei hege produktiviteit.Dit fereasket meastentiids it gebrûk fan hege werhellingsraten, dat wol sizze yn it MHz-berik.Dêrtroch is de tiid ôfstân tusken laser pulses koarter, wat liedt ta waarmte accumulation effekten 23, 24, 25, 26. Dit effekt liedt ta in totale ferheging fan oerflak temperatuer, dat kin gâns beynfloedzje it patroan meganisme ûnder laser ablation.
Yn in earder wurk, Rudenko et al.en Tzibidis et al.In meganisme foar de foarming fan convective struktueren wurdt besprutsen, dat moat wurde hieltyd wichtiger as waarmte accumulation tanimt19,27.In addition, Bauer et al.Korrelearje de krityske hoemannichte waarmteakkumulaasje mei mikron oerflakstruktueren.Nettsjinsteande dit thermysk feroarsake struktuerfoarmingsproses, wurdt it algemien leaud dat de produktiviteit fan it proses kin wurde ferbettere gewoan troch it ferheegjen fan de werhellingsrate28.Hoewol dit op syn beurt net kin wurde berikt sûnder in signifikante tanimming fan waarmte opslach.Dêrom kinne prosesstrategyen dy't in multilevel-topology leverje, miskien net draachber wêze foar hegere werhellingsraten sûnder de proseskinetika en struktuerfoarming te feroarjen9,12.Yn dit ferbân is it heul wichtich om te ûndersiikjen hoe't de substraattemperatuer it DLIP-formaasjeproses beynfloedet, benammen by it meitsjen fan lagen oerflakpatroanen troch de simultane formaasje fan LIPSS.
It doel fan dizze stúdzje wie om it effekt fan substraattemperatuer op 'e resultearjende oerflaktopografy te evaluearjen by DLIP-ferwurking fan roestfrij stiel mei ps-pulsen.Tidens laserferwurking waard de temperatuer fan it monstersubstraat oant 250 \(^\circ\)C brocht mei in ferwaarmingsplaat.De resultearjende oerflakstruktueren waarden karakterisearre mei konfokale mikroskopy, skennende elektroanenmikroskopie, en enerzjydispergerjende röntgenspektroskopie.
Yn 'e earste searje fan eksperiminten waard it stielen substraat ferwurke mei in twa-beam DLIP-konfiguraasje mei in romtlike perioade fan 4,5 µm en in substraattemperatuer fan \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ) }\)C, hjirnei oantsjutten as "ûnferwaarme" oerflak.Yn dit gefal is de pulsoerlap \(o_{\mathrm {p}}\) de ôfstân tusken twa pulsen as funksje fan spotgrutte.It fariearret fan 99,0% (100 pulses per posysje) oan 99,67% (300 pulses per posysje).Yn alle gefallen, in peak enerzjy tichtens \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (foar in Gaussiaansk ekwivalint sûnder ynterferinsje) en in werhellingsfrekwinsje f = 200 kHz waarden brûkt.De rjochting fan polarisaasje fan de laser beam is parallel oan de beweging fan de posisjonearring tafel (figuer 1a)), dat is parallel oan de rjochting fan de lineêre mjitkunde makke troch de twa-beam ynterferinsje patroan.Representative bylden fan de krigen struktueren mei help fan in skennen elektroanenmikroskoop (SEM) wurde werjûn yn Fig.1a–c.Om de analyse fan SEM-ôfbyldings te stypjen yn termen fan topografy, waarden Fourier-transformaasjes (FFT's, werjûn yn tsjustere ynsetten) útfierd op 'e struktueren dy't wurde evaluearre.Yn alle gefallen wie de resultearjende DLIP-geometry sichtber mei in romtlike perioade fan 4,5 µm.
Foar it gefal \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% yn it tsjusterder gebiet fan Fig.1a, oerienkommende mei de posysje fan de ynterferinsje maksimum, men kin observearje grooves mei lytsere parallelle struktueren.Se wikselje ôf mei helderdere bands bedekt mei in nanopartikel-like topografy.Om't de parallelle struktuer tusken de groeven perpendikulêr liket te wêzen op de polarisaasje fan 'e laserstraal en in perioade hat fan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, in bytsje minder as de golflingte fan de laser \(\lambda\) (532 nm) kin neamd wurde LIPSS mei lege romtlike frekwinsje (LSFL-I) 15,18.LSFL-I produsearret in saneamde s-type sinjaal yn de FFT, "s" scatering15,20.Dêrom is it sinjaal perpendikulêr op it sterke sintrale fertikale elemint, dat op syn beurt wurdt generearre troch de DLIP-struktuer (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).It sinjaal generearre troch de lineêre struktuer fan it DLIP-patroan yn 'e FFT-ôfbylding wurdt oantsjutten as "DLIP-type".
SEM-ôfbyldings fan oerflakstruktueren makke mei DLIP.De peak enerzjytichtens is \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (foar in Gaussysk ekwivalint sûnder lûd) en in werhellingsfrekwinsje f = 200 kHz.De ôfbyldings litte sampletemperatuer, polarisaasje en overlay sjen.De beweging fan 'e lokalisaasjefaze is markearre mei in swarte pylk yn (a).De swarte ynset toant de korrespondearjende FFT krigen fan it 37.25\(\times\)37.25 µm SEM-ôfbylding (toand oant de golfvektor \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 wurdt nm).De proses parameters wurde oanjûn yn elke figuer.
Sjoch fierder yn figuer 1, kinne jo sjen dat as de \(o_{\mathrm {p}}\) oerlap nimt ta, it sigmoïde sinjaal mear konsintrearre is nei de x-as fan 'e FFT.De rest fan LSFL-I hat de neiging om mear parallel te wêzen.Dêrnjonken fermindere de relative yntinsiteit fan it s-type sinjaal en ferhege de yntinsiteit fan it DLIP-type sinjaal.Dat komt troch hieltyd mear útsprutsen sleatten mei mear oerlaap.Ek moat it sinjaal fan de x-as tusken type s en it sintrum komme fan in struktuer mei deselde oriïntaasje as LSFL-I mar mei in langere perioade (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1,4 ± 0,2 µm) lykas werjûn yn figuer 1c).Dêrom wurdt oannommen dat harren formaasje is in patroan fan pits yn it sintrum fan 'e grêft.De nije funksje ferskynt ek yn it hege frekwinsjeberik (grutte golfnûmer) fan 'e ordinate.It sinjaal komt fan parallelle rimpelingen op 'e hellingen fan' e grêft, nei alle gedachten troch de ynterferinsje fan ynsidint en foarút-reflektearre ljocht op 'e hellingen9,14.Yn 'e folgjende wurde dizze rimpelingen oanjûn troch LSFL \ (_ \ mathrm {rand} \), en har sinjalen - troch type -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Yn it folgjende eksperimint waard de temperatuer fan 'e stekproef oant 250 ° C brocht ûnder it saneamde "ferwaarme" oerflak.Strukturearring waard útfierd neffens deselde ferwurkingsstrategy as de eksperiminten neamd yn 'e foarige paragraaf (figueren 1a-1c).De SEM-ôfbyldings jouwe de resultearjende topografy as werjûn yn Fig. 1d-f.Heating de stekproef oan 250 C liedt ta in tanimming fan it uterlik fan LSFL, de rjochting fan dat is parallel oan de laser polarisaasje.Dizze struktueren kinne karakterisearre wurde as LSFL-II en hawwe in romtlike perioade \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) fan 247 ± 35 nm.It LSFL-II-sinjaal wurdt net werjûn yn 'e FFT fanwegen de hege modusfrekwinsje.As \(o_{\mathrm {p}}\) tanommen fan 99,0 nei 99,67\(\%\) (Fig. 1d–e), naam de breedte fan 'e heldere bandregio ta, wat late ta it ferskinen fan in DLIP-sinjaal foar mear as hege frekwinsjes.golfnûmers (legere frekwinsjes) en ferskowe dus nei it sintrum fan 'e FFT.De rigen fan pits yn figuer 1d kin wêze de foarrinners fan de saneamde grooves foarme loodrecht op LSFL-I22,27.Dêrnjonken liket LSFL-II koarter en ûnregelmjittich te wurden wurden.Tink derom ek dat de gemiddelde grutte fan ljochte bands mei nanograin morfology lytser is yn dit gefal.Dêrnjonken die bliken dat de grutteferdieling fan dizze nanopartikels minder ferspraat wie (of late ta minder partikelagglomeraasje) as sûnder ferwaarming.Kwalitatyf kin dat beoardiele wurde troch respektivelik sifers 1a, d of b, e te fergelykjen.
Doe't de oerlaap \(o_{\mathrm {p}}\) fierder tanaam oant 99,67% (fig. 1f), ûntstie der stadichoan in ûnderskate topografy fanwegen hieltyd dúdliker furrows.Lykwols, dizze grooves ferskine minder oardere en minder djip as yn figuer 1c.Leech kontrast tusken ljochte en tsjustere gebieten fan 'e ôfbylding toant yn kwaliteit.Dizze resultaten wurde fierder stipe troch it swakkere en mear ferspraat sinjaal fan 'e FFT ordinate yn Fig.. 1f ferlike mei de FFT op c.Lytsere striae wiene ek evident by ferwaarming by it fergelykjen fan Figuren 1b en e, dy't letter waard befêstige troch konfokale mikroskopy.
Neist it foarige eksperimint waard de polarisaasje fan 'e laserstraal troch 90 \(^{\circ}\ rotearre), wêrtroch't de polarisaasjerjochting loodrecht op it posisjonearringsplatfoarm ferhuze.Op fig.2a-c toant de iere stadia fan struktuerfoarming, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% yn ûnferwaarme (a), ferwaarme (b) en ferwaarme 90\(^{\ circ }\ ) - Case mei rotearjende polarisaasje (c).Om de nanotopografy fan 'e struktueren te visualisearjen, wurde de gebieten markearre mei kleurde fjilden werjûn yn Fig.2d, op fergrutte skaal.
SEM-ôfbyldings fan oerflakstruktueren makke mei DLIP.It proses parameters binne itselde as yn Fig.1.De ôfbylding toant de sampletemperatuer \(T_s\), polarisaasje en pulsoerlap \(o_\mathrm {p}\).De swarte ynset lit wer de oerienkommende Fourier-transformaasje sjen.De bylden yn (d) - (i) binne fergruttings fan de markearre gebieten yn (a) - (c).
Yn dit gefal is it te sjen dat de struktueren yn 'e tsjustere gebieten fan Fig. Fig. 2g, i), dat kin sjoen wurde út de oriïntaasje fan de s-type sinjaal yn de oerienkommende FFT.De bânbreedte fan de LSFL-I perioade ferskynt grutter yn ferliking mei perioade b, en syn berik wurdt ferskood nei lytsere perioaden yn figuer 2c, lykas oanjûn troch de mear wiidferspraat s-type sinjaal.Sa kin de folgjende LSFL-romtlike perioade op it stekproef wurde waarnommen by ferskate ferwaarmingstemperatueren: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm by 21 ^{ \circ }\ )C (fig. 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm en \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm by 250 ° C (figuer 2b) foar s polarisaasje.Krektoarsom, de romtlike perioade fan p-polarisaasje en 250 \(^{\circ }\)C is lyk oan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm en \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (fig. 2c).
Opmerklik, de resultaten litte sjen dat krekt troch it fergrutsjen fan de stekproef temperatuer, de oerflak morfology kin wikselje tusken twa utersten, ynklusyf (i) in oerflak mei allinnich LSFL-I eleminten en (ii) in gebiet bedekt mei LSFL-II.Om't de foarming fan dit bysûndere type LIPSS op metalen oerflakken is ferbûn mei oerflak okside lagen, enerzjy dispersive X-ray analyze (EDX) waard útfierd.Tabel 1 vat de resultaten gear.Elke bepaling wurdt útfierd troch gemiddeld op syn minst fjouwer spektra op ferskate plakken op it oerflak fan 'e ferwurke stekproef.De mjittingen wurde útfierd by ferskate stekproeftemperatueren \(T_\mathrm{s}\) en ferskillende posysjes fan it stekproefflak mei ûnstrukturearre of strukturearre gebieten.De mjittingen befetsje ek ynformaasje oer de djippere unoxidized lagen dy't lizze direkt ûnder it behannele smelte gebiet, mar binnen de elektroanen penetraasje djipte fan de EDX analyze.It moat lykwols opmurken wurde dat de EDX beheind is yn syn fermogen om de soerstofynhâld te kwantifisearjen, sadat dizze wearden hjir allinich in kwalitative beoardieling kinne jaan.
De ûnbehandele dielen fan 'e samples lieten gjin signifikante hoemannichten soerstof sjen by alle wurktemperatueren.Nei laserbehanneling namen soerstofnivo's yn alle gefallen ta31.It ferskil yn elemintêre gearstalling tusken de twa ûnbehandele samples wie lykas ferwachte foar de kommersjele stielmonsters, en signifikant hegere koalstofwearden waarden fûn yn ferliking mei it gegevensblêd fan 'e fabrikant foar AISI 304 stiel fanwegen koalwetterstoffersmoarging32.
Foar it besprekken fan mooglike redenen foar de ôfnimming fan groove ablation djipte en de oergong fan LSFL-I nei LSFL-II, power spectral tichtens (PSD) en hichte profilen brûkt.
(ik) De quasi-twa-diminsjonale normalisearre macht spektrale tichtens (Q2D-PSD) fan it oerflak wurdt werjûn as SEM bylden yn figueren 1 en 2. 1 en 2. Sûnt de PSD is normalisearre, in fermindering fan de som sinjaal moat wêze begrepen as in ferheging fan it konstante diel (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), net werjûn), dus glêdens.(ii) Korrespondearjende gemiddelde oerflak hichte profyl.Sample temperatuer \(T_s\), oerlaap \(o_{\mathrm {p}}\), en laserpolarisaasje E relatyf oan de oriïntaasje \(\vec {v}\) fan de beweging fan it posisjonearringsplatfoarm wurde yn alle plots werjûn.
Om de yndruk fan SEM-ôfbyldings te kwantifisearjen, waard in trochsneed normalisearre krêftspektrum generearre fan op syn minst trije SEM-ôfbyldings foar elke parameter ynsteld troch gemiddeld alle iendiminsjonale (1D) krêftspektrale tichtheden (PSD's) yn 'e x- of y-rjochting.De oerienkommende grafyk wurdt werjûn yn figuer 3i toant de frekwinsje ferskowing fan it sinjaal en syn relative bydrage oan it spektrum.
Op fig.3ia, c, e, de DLIP-peak groeit tichtby \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4.5 µm)\(^{-1}\) = 1.4 µm \ ( ^{- 1}\) of de oerienkommende hegere harmoniken as de oerlap fergruttet \(o_{\mathrm {p))\).In ferheging fan 'e fûnemintele amplitude waard ferbûn mei in sterkere ûntwikkeling fan' e LRIB-struktuer.De amplitude fan hegere harmonics nimt ta mei de steilheid fan 'e helling.Foar rjochthoekige funksjes as beheinende gefallen fereasket de approximaasje it grutste oantal frekwinsjes.Dêrom kin de peak om 1,4 µm\(^{-1}\) yn 'e PSD en de oerienkommende harmoniken brûkt wurde as kwaliteitsparameters foar de foarm fan' e groef.
Krektoarsom, lykas werjûn yn Fig.. 3 (i) b, d, f, de PSD fan de ferwaarme stekproef lit swakker en bredere peaks mei minder sinjaal yn de respektivelike harmonics.Dêrnjonken is yn fig.3 (i) f lit sjen dat de twadde harmonic sinjaal sels grutter is as de fûnemintele sinjaal.Dit wjerspegelet de mear unregelmjittige en minder útsprutsen DLIP-struktuer fan 'e ferwaarme stekproef (yn ferliking mei \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).In oar skaaimerk is dat as de oerlaap \(o_{\mathrm {p}}\) ferheget, it resultearjende LSFL-I-sinjaal ferskoot nei in lytser golfnûmer (langere perioade).Dit kin ferklearre wurde troch de ferhege steilheid fan 'e rânen fan' e DLIP-modus en de byhearrende lokale ferheging fan 'e ynfalshoek14,33.Nei dizze trend koe de ferbreding fan it LSFL-I-sinjaal ek ferklearre wurde.Neist de steile hellingen binne d'r ek platte gebieten op 'e boaiem en boppe de kammen fan' e DLIP-struktuer, wêrtroch in breder oanbod fan LSFL-I-perioaden mooglik is.Foar heechabsorberende materialen wurdt de LSFL-I-perioade normaal rûsd as:
wêr't \(\theta\) de ynfalshoek is, en de ûnderskriften s en p ferwize nei ferskillende polarisaasjes33.
Dêrby moat opmurken wurde dat it fleantúch fan ynfal foar in DLIP opset is meastal perpendikulêr foar de beweging fan de posisjonearring platfoarm, lykas werjûn yn figuer 4 (sjoch de Materialen en metoaden seksje).Dêrom is s-polarisaasje, yn 'e regel, parallel oan' e beweging fan 'e poadium, en is p-polarisaasje loodrecht dêrop.Neffens de fergeliking.(1), foar s-polarisaasje wurdt ferwachte in sprieding en in ferskowing fan it LSFL-I-sinjaal nei lytsere golfnûmers.Dit komt troch de ferheging fan \(\theta\) en it hoekbereik \(\theta \pm \delta \theta\) as de sleufdjipte grutter wurdt.Dit kin sjoen wurde troch it fergelykjen fan de LSFL-I-pieken yn figuer 3ia,c,e.
Neffens de resultaten werjûn yn fig.1c, LSFL\(_\mathrm {râne}\) is ek sichtber yn de oerienkommende PSD yn fig.3 ie.Op fig.3ig, h toant de PSD foar p-polarisaasje.It ferskil yn DLIP-pieken is mear útsprutsen tusken ferwaarme en net-ferwaarme samples.Yn dit gefal oerlaapet it sinjaal fan LSFL-I mei de hegere harmonics fan 'e DLIP-peak, en heakket oan it sinjaal tichtby de lasende golflingte.
Foar in beprate de resultaten yn mear detail, toant yn figuer 3ii de strukturele djipte en oerlaap tusken pulses fan de DLIP lineêre hichte ferdieling by ferskate temperatueren.De fertikale hichte profyl fan it oerflak waard krigen troch gemiddeld tsien yndividuele fertikale hichte profilen om it sintrum fan de DLIP struktuer.Foar elke tapaste temperatuer nimt de djipte fan 'e struktuer ta mei tanimmende pulsoerlap.It profyl fan it ferwaarme stekproef toant groeven mei gemiddelde peak-to-peak (pvp) wearden fan 0.87 µm foar s-polarisaasje en 1.06 µm foar p-polarisaasje.Yn tsjinstelling, s-polarisaasje en p-polarisaasje fan 'e ûnferwaarme stekproef toane pvp fan respektivelik 1.75 µm en 2.33 µm.De oerienkommende pvp is ôfbylde yn it hichteprofyl yn fig.3ii.Elk PvP-gemiddelde wurdt berekkene troch gemiddeld acht inkele PvP's.
Dêrnjonken is yn fig.3iig, h toant de p-polarisaasjehoydeferdieling loodrecht op it posisjonearringssysteem en groovebeweging.De rjochting fan 'e p-polarisaasje hat in posityf effekt op' e djipte fan 'e groove, om't it resulteart yn in wat hegere pvp by 2,33 µm yn ferliking mei de s-polarisaasje by 1,75 µm pvp.Dit komt op syn beurt oerien mei de grooves en beweging fan it posisjonearring platfoarm systeem.Dit effekt kin feroarsake wurde troch in lytsere struktuer yn it gefal fan s-polarisaasje yn ferliking mei it gefal fan p-polarisaasje (sjoch Fig. 2f, h), dat sil wurde besprutsen fierder yn de folgjende paragraaf.
It doel fan 'e diskusje is om de fermindering fan' e groove djipte te ferklearjen troch de feroaring yn 'e wichtichste LIPS-klasse (LSFL-I to LSFL-II) yn it gefal fan ferwaarme samples.Dus beantwurdzje de folgjende fragen:
Om de earste fraach te beantwurdzjen, is it nedich om de meganismen te beskôgjen dy't ferantwurdlik binne foar de reduksje fan ablaasje.Foar ien puls by normale ynfal kin de ablaasjedjipte wurde omskreaun as:
dêr't \(\delta _{\mathrm {E}}\) de enerzjypenetraasjedjipte is, \(\Phi\) en \(\Phi _{\mathrm {th}}\) de absorpsjonsfluens en de Ablaasjefluens binne drompel, respektivelik34.
Wiskundich hat de djipte fan enerzjypenetraasje in multiplikatyf effekt op 'e djipte fan ablaasje, wylst de feroaring yn enerzjy in logaritmysk effekt hat.Dat floeiende feroarings hawwe gjin ynfloed op \(\Delta z\) sa lang as \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Sterke oksidaasje (bygelyks troch de formaasje fan chromiumokside) liedt lykwols ta sterkere Cr-O35-bindingen yn ferliking mei Cr-Cr-obligaasjes, wêrtroch de ablaasjedrompel ferheget.Dêrtroch is \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) net mear tefreden, wat liedt ta in rappe ôfname fan de ablaasjedjipte mei ôfnimmende enerzjyfluxdichtheid.Dêrnjonken is in korrelaasje tusken de oksidaasjetastân en de perioade fan LSFL-II bekend, wat kin wurde ferklearre troch feroaringen yn 'e nanostruktuer sels en de optyske eigenskippen fan it oerflak feroarsake troch oerflakoksidaasje30,35.Dêrom, de krekte oerflak ferdieling fan de absorption fluence \(\Phi\) komt troch de komplekse dynamyk fan de ynteraksje tusken de strukturele perioade en de dikte fan de okside laach.Ofhinklik fan 'e perioade beynfloedet de nanostruktuer sterk de ferdieling fan' e opnommen enerzjyflux troch in skerpe ferheging fan it fjild, excitaasje fan oerflakplasmonen, bûtengewoane ljochtoerdracht of fersprieding17,19,20,21.Dêrom is \(\Phi\) tichtby it oerflak sterk inhomogeen, en \(\delta _ {E}\) is wierskynlik net mear mooglik mei ien absorptionskoëffisjint \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) foar it hiele folume fan tichtby oerflak.Sûnt de dikte fan de okside film foar in grut part hinget ôf fan de solidification tiid [26], de nomenklatuer effekt hinget ôf fan de stekproef temperatuer.De optyske mikrografen werjûn yn figuer S1 yn it oanfoljende materiaal jouwe feroaringen oan yn 'e optyske eigenskippen.
Dizze effekten ferklearje foar in part de ûndjippere sleufdjipte yn it gefal fan lytse oerflakstruktueren yn figueren 1d, e en 2b, c en 3 (ii) b, d, f.
LSFL-II is bekend om te foarmjen op semiconductors, dielectrics, en materialen gevoelig foar oksidaasje14,29,30,36,37.Yn it lêste gefal is benammen de dikte fan 'e oerflakoksydelaach wichtich30.De útfierde EDX-analyse die bliken de formaasje fan oerflakoksiden op it struktureare oerflak.Sa liket ambient soerstof foar ûnferwaarme samples by te dragen oan 'e parsjele formaasje fan gasfoarmige dieltsjes en foar in part de formaasje fan oerflakoksiden.Beide ferskynsels leverje in wichtige bydrage oan dit proses.Krektoarsom, foar ferwaarme samples, metaal oksides fan ferskate oksidaasje steaten (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, ensfh.) binne dúdlik 38 foar.Neist de fereaske okside laach, de oanwêzigens fan subwavelength rûchheid, benammen hege romtlike frekwinsje LIPSS (HSFL), is nedich om te foarmjen de fereaske subwavelength (d-type) yntinsiteit modes14,30.De lêste LSFL-II-yntensiteitsmodus is in funksje fan 'e HSFL-amplitude en oksidedikte.De reden foar dizze modus is de fier-fjild ynterferinsje fan ljocht ferspraat troch de HSFL en ljocht brekt yn it materiaal en propagearje binnen it oerflak dielectric materiaal20,29,30.SEM-ôfbyldings fan 'e râne fan it oerflakpatroan yn figuer S2 yn' e seksje Oanfoljende materialen binne yndikatyf fan foarôf besteande HSFL.Dizze bûtenregio is swak beynfloede troch de perifery fan 'e yntinsiteitferdieling, wêrtroch de formaasje fan HSFL mooglik is.Troch de symmetry fan 'e yntinsiteitsferdieling fynt dit effekt ek plak yn 'e scanrjochting.
Sample ferwaarming beynfloedet de LSFL-II formaasje proses op ferskate manieren.Oan 'e iene kant hat in ferheging fan' e sampletemperatuer \(T_\mathrm{s}\) in folle grutter effekt op 'e snelheid fan solidifikaasje en koeling as de dikte fan 'e smelte laach26.Sa wurdt de floeibere ynterface fan in ferwaarme stekproef bleatsteld oan ambient soerstof foar in langere perioade.Dêrneist fertrage solidification lit de ûntwikkeling fan komplekse convective prosessen dy't fergrutsje it mingen fan soerstof en oksides mei floeibere stiel26.Dit kin oantoand wurde troch de dikte fan 'e oksidelaach te fergelykjen dy't allinich troch diffusion foarme is (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) De oerienkommende koagulaasjetiid is \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, en de diffusionskoëffisjint \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Signifikant hegere dikte waard waarnommen of ferplichte yn de LSFL-II formaasje30.Oan 'e oare kant beynfloedet ferwaarming ek de formaasje fan HSFL en dus de ferspriedende objekten dy't nedich binne om oer te gean nei de LSFL-II d-type yntinsiteitsmodus.De bleatstelling fan nanovoïden fongen ûnder it oerflak suggerearret har belutsenens by de formaasje fan HSFL39.Dizze defekten kinne de elektromagnetyske oarsprong fan HSFL fertsjintwurdigje troch de fereaske patroanen fan periodike yntensiteit mei hege frekwinsje14,17,19,29.Derneist binne dizze generearre yntensiteitsmodi mear unifoarm mei in grut oantal nanovoïden19.Sa kin de reden foar de ferhege ynsidinsje fan HSFL ferklearre wurde troch de feroaring yn 'e dynamyk fan kristaldefekten as \(T_\mathrm{s}\) ferheget.
It is koartlyn oantoand dat it koelingsnivo fan silisium in wichtige parameter is foar yntrinsike interstitiale supersaturation en dus foar de accumulation fan puntdefekten mei de formaasje fan dislokaasjes40,41.Molekulêre dynamyksimulaasjes fan suvere metalen hawwe oantoand dat fakatueres supersaturearje by rappe herkristallisaasje, en dêrtroch giet de opbou fan fakatueres yn metalen op in fergelykbere manier42,43,44.Dêrnjonken hawwe resinte eksperimintele stúdzjes fan sulver har rjochte op it meganisme fan de formaasje fan leechten en klusters troch de accumulation fan puntdefekten45.Dêrom kin in ferheging fan 'e temperatuer fan' e stekproef \(T_\mathrm {s}\) en, dêrtroch, in ôfnimming fan 'e koelingssnelheid de foarming fan leechte beynfloedzje, dy't de kearnen fan HSFL binne.
As fakatueres binne de nedige foarrinners foar holtes en dus HSFL, de stekproef temperatuer \ (T_s \) moatte hawwe twa effekten.Oan 'e iene kant beynfloedet \(T_s\) de taryf fan rekristallisaasje en, dêrtroch, de konsintraasje fan puntdefekten (fakatuerkonsintraasje) yn it groeide kristal.Oan 'e oare kant, it beynfloedet ek de koeling taryf nei solidification, dêrmei ynfloed op de diffusion fan punt defekten yn it kristal 40,41.Dêrnjonken is de ferstevigingsrate ôfhinklik fan 'e kristallografyske oriïntaasje en is dus tige anisotropysk, lykas de diffusion fan puntdefekten42,43.Neffens dit útgongspunt wurdt, troch de anisotropyske reaksje fan it materiaal, de ynteraksje fan ljocht en matearje anisotropysk, wat op syn beurt dizze deterministyske periodike frijlitting fan enerzjy fersterket.Foar polykristallijne materialen kin dit gedrach beheind wurde troch de grutte fan ien kearn.Yn feite is LIPSS-formaasje oantoand ôfhinklik fan nôtoriïntaasje46,47.Dêrom kin it effekt fan sampletemperatuer \(T_s\) op 'e kristallisaasjesnelheid net sa sterk wêze as it effekt fan nôtoriïntaasje.Sa jout de ferskillende kristallografyske oriïntaasje fan ferskate korrels in potinsjele ferklearring foar de ferheging fan leechte en aggregaasje fan respektivelik HSFL of LSFL-II.
Om de earste oanwizings fan dizze hypoteze te ferdúdlikjen, waarden de rauwe samples etste om nôtfoarming tichtby it oerflak te iepenjen.Fergeliking fan granen yn fig.S3 wurdt werjûn yn it oanfoljende materiaal.Derneist ferskynden LSFL-I en LSFL-II yn groepen op ferwaarme samples.De grutte en mjitkunde fan dizze klusters oerienkomme mei de korrelgrutte.
Boppedat, HSFL komt allinnich foar yn in smel berik by lege flux tichtens fanwege syn convective oarsprong19,29,48.Dêrom komt dit yn eksperiminten wierskynlik allinnich foar by de perifery fan it beamprofyl.Dêrom, HSFL foarme op net-oxidized of swak oxidized oerflakken, dat waard dúdlik doe't it fergelykjen fan de okside fraksjes fan behannele en untreated samples (sjoch tabel reftab: foarbyld).Dit befêstiget de oanname dat de okside laach benammen wurdt feroarsake troch de laser.
Sjoen dat LIPSS-formaasje typysk ôfhinklik is fan it oantal pulsen fanwege inter-pulsfeedback, kinne HSFL's wurde ferfongen troch gruttere struktueren as pulsoerlap tanimmt19.In minder reguliere HSFL resultearret yn in minder reguliere yntinsiteit patroan (d-modus) nedich foar de foarming fan LSFL-II.Dêrom, as de oerlaap fan \(o_\mathrm {p}\) nimt ta (sjoch figuer 1 fan de), nimt de regelmjittigens fan LSFL-II ôf.
Dizze stúdzje ûndersocht it effekt fan substraattemperatuer op it oerflak morfology fan laser strukturearre DLIP behannele RVS.It is fûn dat it ferwaarmjen fan it substraat fan 21 oant 250 ° C liedt ta in fermindering fan 'e ablaasjedjipte fan 1.75 nei 0.87 µm yn' e s-polarisaasje en fan 2.33 oant 1.06 µm yn 'e p-polarisaasje.Dizze fermindering komt troch de feroaring yn LIPSS-type fan LSFL-I nei LSFL-II, dy't assosjearre is mei in laser-induzearre oerflakoksydlaach by in hegere sampletemperatuer.Derneist kin LSFL-II drompelflux ferheegje troch ferhege oksidaasje.Der wurdt fan útgien dat yn dit technologyske systeem mei hege pols oerlaap, gemiddelde enerzjy tichtens en gemiddelde werhelling rate, it foarkommen fan LSFL-II wurdt ek bepaald troch de feroaring yn dislocation dynamyk feroarsake troch sample ferwaarming.De aggregaasje fan LSFL-II wurdt hypoteze te wêzen fanwege nôtoriïntaasje-ôfhinklike nanovoïde formaasje, dy't liedt ta HSFL as in foarrinner fan LSFL-II.Dêrneist wurdt de ynfloed fan de rjochting fan polarisaasje op de strukturele perioade en de bânbreedte fan de strukturele perioade bestudearre.It docht bliken dat p-polarisaasje effisjinter is foar it DLIP-proses yn termen fan ablaasjedjipte.Oer it algemien ûntdekt dizze stúdzje in set prosesparameters om de djipte fan DLIP-ablaasje te kontrolearjen en te optimalisearjen om oanpaste oerflakpatroanen te meitsjen.Uteinlik is de oergong fan LSFL-I nei LSFL-II folslein troch waarmte oandreaun en in lytse tanimming fan werhellingsnivo wurdt ferwachte mei konstante pulsoerlap fanwege ferhege waarmteopbou24.Al dizze aspekten binne relevant foar de kommende útdaging fan it útwreidzjen fan it DLIP-proses, bygelyks troch it brûken fan polygonale scansystemen49.Om de opbou fan waarmte te minimalisearjen, kin de folgjende strategy wurde folge: hâld de skennensnelheid fan 'e polygonale scanner sa heech mooglik, profitearje fan' e gruttere laserspotgrutte, ortogonaal op 'e skennenrjochting, en brûk optimale ablaasje.fluence 28. Dêrneist dizze ideeën tastean it meitsjen fan komplekse hiërargyske topografy foar avansearre oerflak funksjonalisaasje mei help fan DLIP.
Yn dizze stúdzje waarden elektropolijst roestfrij stielplaten (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) 0.8 mm dik brûkt.Om alle kontaminanten fan it oerflak te ferwiderjen, waarden de samples foarsichtich wosken mei ethanol foar laserbehanneling (absolute konsintraasje fan ethanol \(\ge\) 99,9%).
De DLIP-ynstelling wurdt werjûn yn figuer 4. Samples waarden konstruearre mei in DLIP-systeem útrist mei in 12 ps ultrashort pulsed laser boarne mei in golflingte fan 532 nm en in maksimale werhellingsfrekwinsje fan 50 MHz.De romtlike ferdieling fan de beamenerzjy is Gaussiaansk.Spesjaal ûntworpen optyk leveret in ynterferometryske konfiguraasje mei dûbele beam om lineêre struktueren op 'e stekproef te meitsjen.In lins mei in brânpuntslingte fan 100 mm set twa ekstra laserstralen op it oerflak op in fêste hoeke fan 6,8\(^\circ\), wat in romtlike perioade fan sa'n 4,5 µm jout.Mear ynformaasje oer de eksperimintele opset is earne oars te finen50.
Foardat laser ferwurking, de stekproef wurdt pleatst op in ferwaarming plaat by in bepaalde temperatuer.De temperatuer fan de ferwaarming plaat waard ynsteld op 21 en 250 ° C.Yn alle eksperiminten waard in dwerse jet fan komprimearre loft brûkt yn kombinaasje mei in útlaatapparaat om stofôfsetting op de optyk foar te kommen.In x, y-poadiumsysteem is ynsteld om it stekproef te pleatsen tidens strukturearjen.
De snelheid fan it posisjonearringsfasesysteem waard farieare fan 66 oant 200 mm / s om in oerlaap te krijen tusken pulsen fan respektivelik 99,0 oant 99,67 \(\%\).Yn alle gefallen waard de werhellingsfrekwinsje fêststeld op 200 kHz, en de gemiddelde krêft wie 4 W, wat in enerzjy per puls fan 20 μJ joech.De beamdiameter brûkt yn it DLIP-eksperimint is sawat 100 µm, en de resultearjende peak laser-enerzjystichtens is 0,5 J/cm\(^{2}\).De totale enerzjy frijjûn per ienheid gebiet is de peak kumulative fluence oerienkommende mei 50 J/cm\(^2\) foar \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) foar \(o_{\mathrm {p))\)=99.5\(\%\) en 150 J/cm\(^2\) foar \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99.67 \(\%\).Brûk de \(\lambda\)/2-plaat om de polarisaasje fan 'e laserstraal te feroarjen.Foar elke set fan brûkte parameters is in gebiet fan sawat 35 × 5 mm\(^{2}\) strukturearre op it stekproef.Alle strukturearre eksperiminten waarden útfierd ûnder omjouwingsomstannichheden om yndustriële tapasberens te garandearjen.
De morfology fan 'e samples waard ûndersocht mei in konfokale mikroskoop mei in 50x fergrutting en in optyske en fertikale resolúsje fan respektivelik 170 nm en 3 nm.De sammele topografyske gegevens waarden doe evaluearre mei help fan software foar oerflakanalyse.Profylen ekstrahearje út terreingegevens neffens ISO 1661051.
De samples waarden ek karakterisearre mei in skennende elektroanenmikroskoop by in fersnellende spanning fan 6,0 kV.De gemyske gearstalling fan it oerflak fan 'e samples waard evaluearre mei in enerzjy-dispersive röntgenspektroskopy (EDS) taheaksel by in fersnellende spanning fan 15 kV.Derneist waard in optysk mikroskoop mei in 50x-objektyf brûkt om de korrelige morfology fan 'e mikrostruktuer fan' e samples te bepalen. Dêrfoar waarden de samples fiif minuten lang by in konstante temperatuer fan 50 \(^\circ\)C etst yn in roestfrij stielbeits mei sâltsoer en salpetersûrkonsintraasje fan 15-20 \(\%\) en 1\( -<\)5 \(\%\), respektivelik. Dêrfoar waarden de samples fiif minuten lang by in konstante temperatuer fan 50 \(^\circ\)C etst yn in roestfrij stielbeits mei sâltsoer en salpetersûrkonsintraasje fan 15-20 \(\%\) en 1\( -<\)5 \(\%\), respektivelik. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\) азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) en 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Dêrfoar waarden de samples fiif minuten lang by in konstante temperatuer fan 50 \(^\circ\)C etste yn roestfrij stielferve mei sâlt- en salpetersoeren mei in konsintraasje fan 15-20 \(\%\) en 1\( -<\)5 \( \%\) respektivelik.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，鸡酸和为睸咦为睸和\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.Dêrfoar waarden de samples fiif minuten by in konstante temperatuer fan 50 \(^\circ\)C yn in kleuroplossing foar roestfrij stiel mei in konsintraasje fan sâlt- en salpetersoeren 15-20 \(\%\) en 1 ynmakke. \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) respektivelik.
Skematyske diagram fan 'e eksperimintele opset fan in twa-beam DLIP-opset, ynklusyf (1) in laserbeam, (2) in \(\lambda\)/2 plaat, (3) in DLIP-kop mei in bepaalde optyske konfiguraasje, (4) ) in hite plaat, (5) in cross-fluidic, (6) x,y posisjonearring stappen en (7) RVS eksimplaren.Twa boppesteande balken, omjûn yn read oan de linkerkant, meitsje lineêre struktueren op it stekproef op \(2\theta\) hoeken (ynklusyf sawol s- en p-polarisaasje).
De datasets brûkt en / of analysearre yn 'e hjoeddeistige stúdzje binne beskikber fan' e respektivelike auteurs op ridlik fersyk.
Post tiid: Jan-07-2023