Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Gangguan laser langsung (DLIP) digabungkan dengan struktur permukaan berkala akibat laser (LIPSS) membolehkan penciptaan permukaan berfungsi untuk pelbagai bahan.Daya pemprosesan proses biasanya meningkat dengan menggunakan kuasa laser purata yang lebih tinggi.Walau bagaimanapun, ini membawa kepada pengumpulan haba, yang menjejaskan kekasaran dan bentuk corak permukaan yang terhasil.Oleh itu, adalah perlu untuk mengkaji secara terperinci pengaruh suhu substrat terhadap morfologi unsur-unsur yang direka.Dalam kajian ini, permukaan keluli bercorak garis dengan ps-DLIP pada 532 nm.Untuk menyiasat kesan suhu substrat pada topografi yang terhasil, plat pemanas digunakan untuk mengawal suhu.Pemanasan kepada 250 \(^{\circ }\)С membawa kepada penurunan ketara dalam kedalaman struktur yang terbentuk dari 2.33 hingga 1.06 µm.Penurunan ini dikaitkan dengan penampilan pelbagai jenis LIPSS bergantung pada orientasi butiran substrat dan pengoksidaan permukaan yang disebabkan oleh laser.Kajian ini menunjukkan kesan kuat suhu substrat, yang juga dijangka apabila rawatan permukaan dilakukan pada kuasa laser purata tinggi untuk mencipta kesan pengumpulan haba.
Kaedah rawatan permukaan berdasarkan penyinaran laser nadi ultrashort berada di barisan hadapan sains dan industri kerana keupayaannya untuk memperbaiki sifat permukaan bahan yang paling penting yang berkaitan1.Khususnya, kefungsian permukaan tersuai akibat laser adalah terkini merentasi pelbagai sektor industri dan senario aplikasi1,2,3.Sebagai contoh, Vercillo et al.Sifat anti-aising telah ditunjukkan pada aloi titanium untuk aplikasi aeroangkasa berdasarkan superhydrophobicity yang disebabkan oleh laser.Epperlein et al melaporkan bahawa ciri bersaiz nano yang dihasilkan oleh penstrukturan permukaan laser boleh mempengaruhi pertumbuhan biofilem atau perencatan pada spesimen keluli5.Selain itu, Guai et al.juga menambah baik sifat optik sel solar organik.6 Oleh itu, penstrukturan laser membolehkan penghasilan elemen struktur resolusi tinggi dengan ablasi terkawal bahan permukaan1.
Teknik penstrukturan laser yang sesuai untuk menghasilkan struktur permukaan berkala tersebut ialah pembentukan gangguan laser langsung (DLIP).DLIP adalah berdasarkan gangguan dekat permukaan dua atau lebih pancaran laser untuk membentuk permukaan bercorak dengan ciri dalam julat mikrometer dan nanometer.Bergantung pada bilangan dan polarisasi pancaran laser, DLIP boleh mereka bentuk dan mencipta pelbagai jenis struktur permukaan topografi.Pendekatan yang menjanjikan adalah untuk menggabungkan struktur DLIP dengan struktur permukaan berkala akibat laser (LIPSS) untuk mencipta topografi permukaan dengan hierarki struktur yang kompleks8,9,10,11,12.Secara semula jadi, hierarki ini telah ditunjukkan untuk memberikan prestasi yang lebih baik daripada model skala tunggal13.
Fungsi LIPSS tertakluk kepada proses penguatan diri (maklum balas positif) berdasarkan peningkatan modulasi dekat permukaan taburan intensiti sinaran.Ini disebabkan oleh peningkatan dalam kekasaran nano kerana bilangan denyutan laser yang digunakan meningkat 14, 15, 16. Modulasi berlaku terutamanya disebabkan oleh gangguan gelombang yang dipancarkan dengan medan elektromagnet15,17,18,19,20,21 terbias dan komponen gelombang berselerak atau plasmon permukaan.Pembentukan LIPSS juga dipengaruhi oleh pemasaan denyutan22,23.Khususnya, kuasa laser purata yang lebih tinggi amat diperlukan untuk rawatan permukaan produktiviti tinggi.Ini biasanya memerlukan penggunaan kadar ulangan yang tinggi, iaitu dalam julat MHz.Akibatnya, jarak masa antara denyutan laser adalah lebih pendek, yang membawa kepada kesan pengumpulan haba 23, 24, 25, 26. Kesan ini membawa kepada peningkatan keseluruhan suhu permukaan, yang boleh menjejaskan mekanisme corak semasa ablasi laser.
Dalam karya sebelumnya, Rudenko et al.dan Tzibidis et al.Satu mekanisme untuk pembentukan struktur perolakan dibincangkan, yang sepatutnya menjadi semakin penting apabila pengumpulan haba meningkat19,27.Di samping itu, Bauer et al.Hubungkaitkan jumlah kritikal pengumpulan haba dengan struktur permukaan mikron.Walaupun proses pembentukan struktur akibat terma ini, secara amnya dipercayai bahawa produktiviti proses boleh dipertingkatkan hanya dengan meningkatkan kadar ulangan28.Walaupun ini, sebaliknya, tidak dapat dicapai tanpa peningkatan ketara dalam penyimpanan haba.Oleh itu, strategi proses yang menyediakan topologi pelbagai peringkat mungkin tidak mudah alih kepada kadar ulangan yang lebih tinggi tanpa mengubah kinetik proses dan pembentukan struktur9,12.Dalam hal ini, adalah sangat penting untuk menyiasat bagaimana suhu substrat mempengaruhi proses pembentukan DLIP, terutamanya apabila membuat corak permukaan berlapis kerana pembentukan LIPSS secara serentak.
Matlamat kajian ini adalah untuk menilai kesan suhu substrat pada topografi permukaan yang terhasil semasa pemprosesan DLIP keluli tahan karat menggunakan denyutan ps.Semasa pemprosesan laser, suhu substrat sampel telah dibawa sehingga 250 \(^\circ\)C menggunakan plat pemanas.Struktur permukaan yang terhasil telah dicirikan menggunakan mikroskop confocal, mikroskop elektron pengimbasan, dan spektroskopi sinar-X penyebaran tenaga.
Dalam siri pertama eksperimen, substrat keluli telah diproses menggunakan konfigurasi DLIP dua rasuk dengan tempoh spatial 4.5 µm dan suhu substrat \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circular }\)C, selepas ini dirujuk sebagai permukaan "tidak panas".Dalam kes ini, pertindihan nadi \(o_{\mathrm {p}}\) ialah jarak antara dua nadi sebagai fungsi saiz titik.Ia berbeza daripada 99.0% (100 denyutan setiap kedudukan) hingga 99.67% (300 denyutan setiap kedudukan).Dalam semua kes, ketumpatan tenaga puncak \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0.5 J/cm\(^2\) (untuk setara Gaussian tanpa gangguan) dan kekerapan ulangan f = 200 kHz telah digunakan.Arah polarisasi pancaran laser adalah selari dengan pergerakan jadual kedudukan (Rajah 1a)), yang selari dengan arah geometri linear yang dicipta oleh corak gangguan dua rasuk.Imej perwakilan struktur yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron pengimbasan (SEM) ditunjukkan dalam Rajah.1a–c.Untuk menyokong analisis imej SEM dari segi topografi, transformasi Fourier (FFT, ditunjukkan dalam inset gelap) dilakukan pada struktur yang dinilai.Dalam semua kes, geometri DLIP yang terhasil dapat dilihat dengan tempoh spatial 4.5 µm.
Untuk kes \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% di kawasan gelap Rajah.1a, sepadan dengan kedudukan maksimum gangguan, seseorang boleh memerhatikan alur yang mengandungi struktur selari yang lebih kecil.Mereka berselang-seli dengan jalur yang lebih cerah diliputi dalam topografi seperti nanopartikel.Oleh kerana struktur selari antara alur kelihatan berserenjang dengan polarisasi pancaran laser dan mempunyai tempoh \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, sedikit kurang daripada panjang gelombang laser \(\lambda\) (532 nm) boleh dipanggil LIPSS dengan frekuensi spatial rendah (LSFL-I)15,18.LSFL-I menghasilkan isyarat jenis-s yang dipanggil dalam FFT, "s" serakan15,20.Oleh itu, isyarat adalah berserenjang dengan elemen menegak pusat yang kuat, yang seterusnya dijana oleh struktur DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4.5 µm).Isyarat yang dihasilkan oleh struktur linear corak DLIP dalam imej FFT dirujuk sebagai "jenis DLIP".
Imej SEM bagi struktur permukaan yang dibuat menggunakan DLIP.Ketumpatan tenaga puncak ialah \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0.5 J/cm\(^2\) (untuk setara Gaussian tanpa hingar) dan kadar ulangan f = 200 kHz.Imej menunjukkan suhu sampel, polarisasi dan tindanan.Pergerakan fasa penyetempatan ditandakan dengan anak panah hitam dalam (a).Inset hitam menunjukkan FFT sepadan yang diperoleh daripada imej SEM 37.25\(\times\)37.25 µm (ditunjukkan sehingga vektor gelombang menjadi \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 nm).Parameter proses ditunjukkan dalam setiap rajah.
Melihat lebih jauh ke dalam Rajah 1, anda boleh melihat bahawa apabila pertindihan \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat, isyarat sigmoid lebih tertumpu ke arah paksi-x FFT.Selebihnya LSFL-I cenderung lebih selari.Di samping itu, keamatan relatif isyarat jenis-s menurun dan keamatan isyarat jenis DLIP meningkat.Ini disebabkan oleh parit yang semakin ketara dengan lebih banyak pertindihan.Juga, isyarat paksi-x antara jenis s dan pusat mesti datang daripada struktur dengan orientasi yang sama seperti LSFL-I tetapi dengan tempoh yang lebih lama (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1.4 ± 0.2 µm) seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1c).Oleh itu, diandaikan bahawa pembentukan mereka adalah corak lubang di tengah parit.Ciri baharu juga muncul dalam julat frekuensi tinggi (nombor gelombang besar) ordinat.Isyarat datang daripada riak selari di cerun parit, kemungkinan besar disebabkan oleh gangguan kejadian dan cahaya pantulan hadapan pada cerun9,14.Dalam yang berikut, riak ini dilambangkan dengan LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \), dan isyaratnya – mengikut jenis -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Dalam eksperimen seterusnya, suhu sampel telah dibawa sehingga 250 °C di bawah permukaan yang dipanggil "dipanaskan".Penstrukturan telah dijalankan mengikut strategi pemprosesan yang sama seperti eksperimen yang dinyatakan dalam bahagian sebelumnya (Rajah 1a–1c).Imej SEM menggambarkan topografi yang terhasil seperti ditunjukkan dalam Rajah 1d–f.Pemanasan sampel kepada 250 C membawa kepada peningkatan dalam penampilan LSFL, yang arahnya selari dengan polarisasi laser.Struktur ini boleh dicirikan sebagai LSFL-II dan mempunyai tempoh spatial \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) sebanyak 247 ± 35 nm.Isyarat LSFL-II tidak dipaparkan dalam FFT kerana frekuensi mod tinggi.Apabila \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat daripada 99.0 kepada 99.67\(\%\) (Rajah 1d–e), lebar kawasan jalur terang meningkat, yang membawa kepada kemunculan isyarat DLIP untuk lebih daripada frekuensi tinggi.nombor gelombang (frekuensi lebih rendah) dan dengan itu beralih ke arah pusat FFT.Barisan pit dalam Rajah 1d mungkin merupakan pendahulu bagi apa yang dipanggil alur yang terbentuk berserenjang dengan LSFL-I22,27.Di samping itu, LSFL-II nampaknya telah menjadi lebih pendek dan berbentuk tidak teratur.Perhatikan juga bahawa saiz purata jalur terang dengan morfologi nanograin adalah lebih kecil dalam kes ini.Di samping itu, taburan saiz nanozarah ini ternyata kurang tersebar (atau membawa kepada kurang aglomerasi zarah) berbanding tanpa pemanasan.Secara kualitatif, ini boleh dinilai dengan membandingkan angka 1a, d atau b, e, masing-masing.
Apabila pertindihan \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat lagi kepada 99.67% (Rajah 1f), topografi yang berbeza secara beransur-ansur muncul disebabkan oleh alur yang semakin jelas.Walau bagaimanapun, alur ini kelihatan kurang teratur dan kurang dalam berbanding Rajah 1c.Kontras rendah antara kawasan terang dan gelap pada imej ditunjukkan dalam kualiti.Keputusan ini disokong lagi oleh isyarat koordinat FFT yang lebih lemah dan lebih bertaburan dalam Rajah 1f berbanding dengan FFT pada c.Striae yang lebih kecil juga terbukti pada pemanasan apabila membandingkan Rajah 1b dan e, yang kemudiannya disahkan oleh mikroskop confocal.
Sebagai tambahan kepada eksperimen sebelumnya, polarisasi pancaran laser diputar sebanyak 90 \(^{\circ}\), yang menyebabkan arah polarisasi bergerak berserenjang dengan platform penentududukan.Pada rajah.2a-c menunjukkan peringkat awal pembentukan struktur, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% dalam tidak dipanaskan (a), dipanaskan (b) dan dipanaskan 90\(^{\ circ }\ ) – Kes dengan polarisasi berputar (c).Untuk menggambarkan nanotopografi struktur, kawasan yang ditandai dengan petak berwarna ditunjukkan dalam Rajah.2d, pada skala yang diperbesarkan.
Imej SEM bagi struktur permukaan yang dibuat menggunakan DLIP.Parameter proses adalah sama seperti dalam Rajah.1.Imej menunjukkan suhu sampel \(T_s\), polarisasi dan pertindihan nadi \(o_\mathrm {p}\).Inset hitam sekali lagi menunjukkan transformasi Fourier yang sepadan.Imej dalam (d)-(i) ialah pembesaran bagi kawasan yang ditanda dalam (a)-(c).
Dalam kes ini, dapat dilihat bahawa struktur di kawasan gelap Rajah 2b,c adalah sensitif polarisasi dan oleh itu dilabelkan LSFL-II14, 20, 29, 30. Terutamanya, orientasi LSFL-I juga diputar ( Rajah 2g, i), yang boleh dilihat daripada orientasi isyarat jenis-s dalam FFT yang sepadan.Lebar jalur bagi tempoh LSFL-I kelihatan lebih besar berbanding dengan tempoh b, dan julatnya dialihkan ke arah tempoh yang lebih kecil dalam Rajah 2c, seperti yang ditunjukkan oleh isyarat jenis s yang lebih meluas.Oleh itu, tempoh spatial LSFL berikut boleh diperhatikan pada sampel pada suhu pemanasan yang berbeza: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm pada 21 ^{ \circ }\ )C (Rajah 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm dan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm pada 250°C (Rajah 2b) untuk polarisasi s.Sebaliknya, tempoh spatial p-polarisasi dan 250 \(^{\circ }\)C adalah sama dengan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm dan \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Rajah 2c).
Terutama, keputusan menunjukkan bahawa hanya dengan meningkatkan suhu sampel, morfologi permukaan boleh bertukar antara dua ekstrem, termasuk (i) permukaan yang mengandungi hanya unsur LSFL-I dan (ii) kawasan yang diliputi dengan LSFL-II.Oleh kerana pembentukan LIPSS jenis tertentu ini pada permukaan logam dikaitkan dengan lapisan oksida permukaan, analisis sinar-X penyebaran tenaga (EDX) telah dilakukan.Jadual 1 meringkaskan keputusan yang diperolehi.Setiap penentuan dijalankan dengan purata sekurang-kurangnya empat spektrum di tempat yang berbeza pada permukaan sampel yang diproses.Pengukuran dijalankan pada suhu sampel yang berbeza \(T_\mathrm{s}\) dan kedudukan berbeza permukaan sampel yang mengandungi kawasan tidak berstruktur atau berstruktur.Pengukuran juga mengandungi maklumat tentang lapisan tidak teroksida yang lebih dalam yang terletak betul-betul di bawah kawasan cair yang dirawat, tetapi dalam kedalaman penembusan elektron analisis EDX.Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa EDX terhad dalam keupayaannya untuk mengukur kandungan oksigen, jadi nilai-nilai ini di sini hanya boleh memberikan penilaian kualitatif.
Bahagian sampel yang tidak dirawat tidak menunjukkan sejumlah besar oksigen pada semua suhu operasi.Selepas rawatan laser, paras oksigen meningkat dalam semua kes31.Perbezaan dalam komposisi unsur antara dua sampel yang tidak dirawat adalah seperti yang dijangkakan untuk sampel keluli komersial, dan nilai karbon yang jauh lebih tinggi didapati berbanding helaian data pengilang untuk keluli AISI 304 akibat pencemaran hidrokarbon32.
Sebelum membincangkan kemungkinan sebab penurunan kedalaman ablasi alur dan peralihan dari LSFL-I ke LSFL-II, ketumpatan spektrum kuasa (PSD) dan profil ketinggian digunakan.
(i) Ketumpatan spektrum kuasa ternormal kuasi dua dimensi (Q2D-PSD) permukaan ditunjukkan sebagai imej SEM dalam Rajah 1 dan 2. 1 dan 2. Oleh kerana JPA dinormalkan, pengurangan dalam isyarat jumlah sepatutnya difahami sebagai peningkatan dalam bahagian malar (k \(\le\) 0.7 µm\(^{-1}\), tidak ditunjukkan), iaitu kelicinan.(ii) Profil ketinggian permukaan min sepadan.Suhu sampel \(T_s\), pertindihan \(o_{\mathrm {p}}\), dan polarisasi laser E berbanding dengan orientasi \(\vec {v}\) pergerakan platform penentududukan ditunjukkan dalam semua plot.
Untuk mengukur tera imej SEM, purata spektrum kuasa ternormal dijana daripada sekurang-kurangnya tiga imej SEM untuk setiap parameter yang ditetapkan dengan purata semua ketumpatan spektrum kuasa (1D) satu dimensi (PSD) dalam arah x atau y.Graf yang sepadan ditunjukkan dalam Rajah 3i menunjukkan anjakan frekuensi isyarat dan sumbangan relatifnya kepada spektrum.
Pada rajah.3ia, c, e, puncak DLIP tumbuh berhampiran \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4.5 µm)\(^{-1}\) = 1.4 µm \ ( ^{- 1}\) atau harmonik yang lebih tinggi yang sepadan apabila pertindihan meningkat \(o_{\mathrm {p))\).Peningkatan dalam amplitud asas dikaitkan dengan pembangunan struktur LRIB yang lebih kukuh.Amplitud harmonik yang lebih tinggi meningkat dengan kecuraman cerun.Untuk fungsi segi empat tepat sebagai mengehadkan kes, anggaran memerlukan bilangan frekuensi terbesar.Oleh itu, puncak sekitar 1.4 µm\(^{-1}\) dalam JPA dan harmonik yang sepadan boleh digunakan sebagai parameter kualiti untuk bentuk alur.
Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(i)b,d,f, JPA sampel yang dipanaskan menunjukkan puncak yang lebih lemah dan lebih luas dengan isyarat yang kurang dalam harmonik masing-masing.Di samping itu, dalam rajah.3(i)f menunjukkan bahawa isyarat harmonik kedua malah melebihi isyarat asas.Ini mencerminkan struktur DLIP yang lebih tidak teratur dan kurang jelas bagi sampel yang dipanaskan (berbanding dengan \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Ciri lain ialah apabila pertindihan \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat, isyarat LSFL-I yang terhasil beralih ke arah nombor gelombang yang lebih kecil (tempoh yang lebih lama).Ini boleh dijelaskan oleh peningkatan kecuraman tepi mod DLIP dan peningkatan tempatan yang berkaitan dalam sudut kejadian14,33.Berikutan arah aliran ini, perluasan isyarat LSFL-I juga boleh dijelaskan.Selain cerun yang curam, terdapat juga kawasan rata di bahagian bawah dan di atas puncak struktur DLIP, membolehkan julat tempoh LSFL-I yang lebih luas.Untuk bahan yang sangat menyerap, tempoh LSFL-I biasanya dianggarkan sebagai:
dengan \(\theta\) ialah sudut tuju, dan subskrip s dan p merujuk kepada polarisasi yang berbeza33.
Perlu diingatkan bahawa satah kejadian untuk persediaan DLIP biasanya berserenjang dengan pergerakan platform penentududukan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4 (lihat bahagian Bahan dan Kaedah).Oleh itu, s-polarisasi, sebagai peraturan, adalah selari dengan pergerakan peringkat, dan p-polarisasi berserenjang dengannya.Mengikut persamaan.(1), untuk s-polarisasi, penyebaran dan peralihan isyarat LSFL-I ke arah nombor gelombang yang lebih kecil dijangka.Ini disebabkan oleh peningkatan dalam \(\theta\) dan julat sudut \(\theta \pm \delta \theta\) apabila kedalaman parit meningkat.Ini boleh dilihat dengan membandingkan puncak LSFL-I dalam Rajah 3ia,c,e.
Mengikut keputusan yang ditunjukkan dalam rajah.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) juga boleh dilihat dalam JPA yang sepadan dalam rajah.3iaitu.Pada rajah.3ig,h menunjukkan JPA untuk p-polarisasi.Perbezaan puncak DLIP lebih ketara antara sampel yang dipanaskan dan tidak dipanaskan.Dalam kes ini, isyarat daripada LSFL-I bertindih dengan harmonik yang lebih tinggi bagi puncak DLIP, menambah isyarat berhampiran panjang gelombang pengelasan.
Untuk membincangkan keputusan dengan lebih terperinci, dalam Rajah 3ii menunjukkan kedalaman struktur dan pertindihan antara denyutan taburan ketinggian linear DLIP pada pelbagai suhu.Profil ketinggian menegak permukaan diperoleh dengan purata sepuluh profil ketinggian menegak individu di sekitar pusat struktur DLIP.Untuk setiap suhu yang digunakan, kedalaman struktur meningkat dengan pertindihan nadi yang semakin meningkat.Profil sampel yang dipanaskan menunjukkan alur dengan nilai purata puncak-ke-puncak (pvp) sebanyak 0.87 µm untuk polarisasi s dan 1.06 µm untuk polarisasi p.Sebaliknya, polarisasi s dan polarisasi p bagi sampel tidak dipanaskan menunjukkan pvp masing-masing 1.75 µm dan 2.33 µm.Pvp yang sepadan digambarkan dalam profil ketinggian dalam rajah.3ii.Setiap purata PvP dikira dengan purata lapan PvP tunggal.
Di samping itu, dalam rajah.3iig,h menunjukkan taburan ketinggian p-polarisasi berserenjang dengan sistem kedudukan dan pergerakan alur.Arah polarisasi p mempunyai kesan positif pada kedalaman alur kerana ia menghasilkan pvp lebih tinggi sedikit pada 2.33 µm berbanding dengan polarisasi s pada 1.75 µm pvp.Ini pula sepadan dengan alur dan pergerakan sistem platform penentududukan.Kesan ini boleh disebabkan oleh struktur yang lebih kecil dalam kes polarisasi s berbanding dengan kes polarisasi p (lihat Rajah 2f, h), yang akan dibincangkan dengan lebih lanjut dalam bahagian seterusnya.
Tujuan perbincangan adalah untuk menerangkan penurunan dalam kedalaman alur disebabkan oleh perubahan dalam kelas LIPS utama (LSFL-I kepada LSFL-II) dalam kes sampel yang dipanaskan.Jadi jawab soalan berikut:
Untuk menjawab soalan pertama, adalah perlu untuk mempertimbangkan mekanisme yang bertanggungjawab untuk pengurangan ablasi.Untuk nadi tunggal pada kejadian biasa, kedalaman ablasi boleh digambarkan sebagai:
dengan \(\delta _{\mathrm {E}}\) ialah kedalaman penembusan tenaga, \(\Phi\) dan \(\Phi _{\mathrm {th}}\) ialah kelancaran penyerapan dan kelancaran Ablasi ambang, masing-masing34 .
Secara matematik, kedalaman penembusan tenaga mempunyai kesan berganda pada kedalaman ablasi, manakala perubahan tenaga mempunyai kesan logaritma.Jadi perubahan fluence tidak menjejaskan \(\Delta z\) selagi \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Walau bagaimanapun, pengoksidaan yang kuat (contohnya, disebabkan oleh pembentukan kromium oksida) membawa kepada ikatan Cr-O35 yang lebih kuat berbanding dengan ikatan Cr-Cr, dengan itu meningkatkan ambang ablasi.Akibatnya, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) tidak lagi berpuas hati, yang membawa kepada penurunan pesat dalam kedalaman ablasi dengan penurunan ketumpatan fluks tenaga.Di samping itu, korelasi antara keadaan pengoksidaan dan tempoh LSFL-II diketahui, yang boleh dijelaskan oleh perubahan dalam struktur nano itu sendiri dan sifat optik permukaan yang disebabkan oleh pengoksidaan permukaan30,35.Oleh itu, taburan permukaan yang tepat bagi kelancaran penyerapan \(\Phi\) adalah disebabkan oleh dinamik kompleks interaksi antara tempoh struktur dan ketebalan lapisan oksida.Bergantung pada tempoh, struktur nano sangat mempengaruhi pengagihan fluks tenaga yang diserap disebabkan oleh peningkatan mendadak dalam medan, pengujaan plasmon permukaan, pemindahan cahaya yang luar biasa atau serakan17,19,20,21.Oleh itu, \(\Phi\) sangat tidak homogen berhampiran permukaan, dan \(\delta _ {E}\) mungkin tidak lagi boleh dilakukan dengan satu pekali penyerapan \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) untuk keseluruhan volum hampir permukaan.Oleh kerana ketebalan filem oksida sebahagian besarnya bergantung pada masa pemejalan [26], kesan tatanama bergantung pada suhu sampel.Mikrograf optik yang ditunjukkan dalam Rajah S1 dalam Bahan Tambahan menunjukkan perubahan dalam sifat optik.
Kesan ini sebahagiannya menerangkan kedalaman parit yang lebih cetek dalam kes struktur permukaan kecil dalam Rajah 1d,e dan 2b,c dan 3(ii)b,d,f.
LSFL-II diketahui terbentuk pada semikonduktor, dielektrik, dan bahan yang terdedah kepada pengoksidaan14,29,30,36,37.Dalam kes kedua, ketebalan lapisan oksida permukaan adalah amat penting30.Analisis EDX yang dijalankan mendedahkan pembentukan oksida permukaan pada permukaan berstruktur.Oleh itu, untuk sampel yang tidak dipanaskan, oksigen ambien nampaknya menyumbang kepada pembentukan separa zarah gas dan sebahagiannya pembentukan oksida permukaan.Kedua-dua fenomena memberi sumbangan penting kepada proses ini.Sebaliknya, untuk sampel yang dipanaskan, oksida logam pelbagai keadaan pengoksidaan (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, dsb.) jelas 38 menyokong.Sebagai tambahan kepada lapisan oksida yang diperlukan, kehadiran kekasaran subwavelength, terutamanya frekuensi spatial tinggi LIPSS (HSFL), adalah perlu untuk membentuk mod intensiti subwavelength (d-type) yang diperlukan14,30.Mod keamatan LSFL-II akhir ialah fungsi amplitud HSFL dan ketebalan oksida.Sebab untuk mod ini ialah gangguan medan jauh cahaya yang tersebar oleh HSFL dan cahaya dibiaskan ke dalam bahan dan merambat di dalam bahan dielektrik permukaan20,29,30.Imej SEM pinggir corak permukaan dalam Rajah S2 dalam bahagian Bahan Tambahan adalah menunjukkan HSFL yang sedia ada.Kawasan luar ini terjejas dengan lemah oleh pinggir taburan intensiti, yang membolehkan pembentukan HSFL.Disebabkan oleh simetri taburan keamatan, kesan ini juga berlaku sepanjang arah pengimbasan.
Pemanasan sampel menjejaskan proses pembentukan LSFL-II dalam beberapa cara.Di satu pihak, peningkatan suhu sampel \(T_\mathrm{s}\) mempunyai kesan yang lebih besar pada kadar pemejalan dan penyejukan daripada ketebalan lapisan lebur26.Oleh itu, antara muka cecair sampel yang dipanaskan terdedah kepada oksigen ambien untuk jangka masa yang lebih lama.Di samping itu, pemejalan tertunda membolehkan pembangunan proses perolakan kompleks yang meningkatkan pencampuran oksigen dan oksida dengan keluli cecair26.Ini boleh ditunjukkan dengan membandingkan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk hanya melalui resapan (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Masa pembekuan yang sepadan ialah \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, dan pekali resapan \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Ketebalan yang ketara lebih tinggi diperhatikan atau diperlukan dalam pembentukan LSFL-II30.Sebaliknya, pemanasan juga mempengaruhi pembentukan HSFL dan oleh itu objek serakan yang diperlukan untuk beralih ke mod intensiti jenis d LSFL-II.Pendedahan nanovoid yang terperangkap di bawah permukaan menunjukkan penglibatan mereka dalam pembentukan HSFL39.Kecacatan ini mungkin mewakili asal elektromagnet HSFL disebabkan oleh corak intensiti berkala frekuensi tinggi yang diperlukan14,17,19,29.Di samping itu, mod intensiti yang dijana ini lebih seragam dengan sejumlah besar nanovoids19.Oleh itu, sebab peningkatan kejadian HSFL boleh dijelaskan oleh perubahan dalam dinamik kecacatan kristal apabila \(T_\mathrm{s}\) meningkat.
Baru-baru ini telah ditunjukkan bahawa kadar penyejukan silikon adalah parameter utama untuk supersaturasi interstisial intrinsik dan dengan itu untuk pengumpulan kecacatan titik dengan pembentukan kehelan40,41.Simulasi dinamik molekul logam tulen telah menunjukkan bahawa kekosongan menjadi tepu semasa penghabluran semula yang cepat, dan oleh itu pengumpulan kekosongan dalam logam berlaku dengan cara yang sama42,43,44.Di samping itu, kajian eksperimen perak baru-baru ini telah memberi tumpuan kepada mekanisme pembentukan lompang dan kelompok akibat pengumpulan kecacatan titik45.Oleh itu, peningkatan suhu sampel \(T_\mathrm {s}\) dan, akibatnya, penurunan kadar penyejukan boleh menjejaskan pembentukan lompang, yang merupakan nukleus HSFL.
Jika kekosongan adalah prekursor yang diperlukan kepada rongga dan oleh itu HSFL, suhu sampel \(T_s\) sepatutnya mempunyai dua kesan.Di satu pihak, \(T_s\) mempengaruhi kadar penghabluran semula dan, akibatnya, kepekatan kecacatan titik (kepekatan kekosongan) dalam kristal yang ditanam.Sebaliknya, ia juga mempengaruhi kadar penyejukan selepas pemejalan, dengan itu menjejaskan resapan kecacatan titik dalam kristal 40,41.Di samping itu, kadar pemejalan bergantung pada orientasi kristalografi dan oleh itu sangat anisotropik, seperti juga resapan kecacatan titik42,43.Menurut premis ini, disebabkan tindak balas anisotropik bahan, interaksi cahaya dan jirim menjadi anisotropik, yang seterusnya menguatkan pelepasan tenaga berkala yang menentukan ini.Untuk bahan polihabluran, tingkah laku ini boleh dihadkan oleh saiz bijirin tunggal.Malah, pembentukan LIPSS telah ditunjukkan bergantung pada orientasi bijian46,47.Oleh itu, kesan suhu sampel \(T_s\) pada kadar penghabluran mungkin tidak sekuat kesan orientasi butiran.Oleh itu, orientasi kristalografi yang berbeza bagi butiran yang berbeza memberikan penjelasan yang berpotensi untuk peningkatan lompang dan pengagregatan HSFL atau LSFL-II, masing-masing.
Untuk menjelaskan petunjuk awal hipotesis ini, sampel mentah telah terukir untuk mendedahkan pembentukan butiran berhampiran dengan permukaan.Perbandingan bijirin dalam rajah.S3 ditunjukkan dalam bahan tambahan.Di samping itu, LSFL-I dan LSFL-II muncul dalam kumpulan pada sampel yang dipanaskan.Saiz dan geometri kelompok ini sepadan dengan saiz butiran.
Selain itu, HSFL hanya berlaku dalam julat sempit pada ketumpatan fluks yang rendah disebabkan oleh asal perolakannya19,29,48.Oleh itu, dalam eksperimen, ini mungkin berlaku hanya di pinggir profil rasuk.Oleh itu, HSFL terbentuk pada permukaan tidak teroksida atau teroksida lemah, yang menjadi jelas apabila membandingkan pecahan oksida bagi sampel yang dirawat dan tidak dirawat (lihat jadual semula: contoh).Ini mengesahkan andaian bahawa lapisan oksida terutamanya disebabkan oleh laser.
Memandangkan pembentukan LIPSS lazimnya bergantung kepada bilangan denyutan akibat maklum balas antara denyutan, HSFL boleh digantikan dengan struktur yang lebih besar apabila pertindihan nadi meningkat19.HSFL yang kurang teratur menghasilkan corak intensiti yang kurang teratur (d-mod) yang diperlukan untuk pembentukan LSFL-II.Oleh itu, apabila pertindihan \(o_\mathrm {p}\) meningkat (lihat Rajah 1 dari de), keteraturan LSFL-II berkurangan.
Kajian ini menyiasat kesan suhu substrat pada morfologi permukaan keluli tahan karat terawat DLIP berstruktur laser.Telah didapati bahawa pemanasan substrat dari 21 hingga 250°C membawa kepada penurunan kedalaman ablasi daripada 1.75 kepada 0.87 µm dalam polarisasi s dan daripada 2.33 kepada 1.06 µm dalam polarisasi p.Penurunan ini disebabkan oleh perubahan dalam jenis LIPSS daripada LSFL-I kepada LSFL-II, yang dikaitkan dengan lapisan oksida permukaan yang disebabkan oleh laser pada suhu sampel yang lebih tinggi.Di samping itu, LSFL-II boleh meningkatkan fluks ambang disebabkan peningkatan pengoksidaan.Diandaikan bahawa dalam sistem teknologi ini dengan pertindihan nadi yang tinggi, ketumpatan tenaga purata dan kadar pengulangan purata, kejadian LSFL-II juga ditentukan oleh perubahan dalam dinamik kehelan yang disebabkan oleh pemanasan sampel.Pengagregatan LSFL-II dihipotesiskan disebabkan oleh pembentukan nanovoid yang bergantung kepada orientasi butiran, yang membawa kepada HSFL sebagai pendahulu kepada LSFL-II.Di samping itu, pengaruh arah polarisasi pada tempoh struktur dan lebar jalur tempoh struktur dikaji.Ternyata p-polarisasi lebih cekap untuk proses DLIP dari segi kedalaman ablasi.Secara keseluruhan, kajian ini mendedahkan satu set parameter proses untuk mengawal dan mengoptimumkan kedalaman ablasi DLIP untuk mencipta corak permukaan tersuai.Akhir sekali, peralihan daripada LSFL-I kepada LSFL-II sepenuhnya didorong haba dan peningkatan kecil dalam kadar pengulangan dijangka dengan pertindihan nadi yang berterusan disebabkan peningkatan pembentukan haba24.Kesemua aspek ini adalah relevan dengan cabaran yang akan datang untuk mengembangkan proses DLIP, contohnya melalui penggunaan sistem pengimbasan poligon49.Untuk meminimumkan pembentukan haba, strategi berikut boleh diikuti: pastikan kelajuan pengimbasan pengimbas poligon setinggi mungkin, memanfaatkan saiz titik laser yang lebih besar, ortogon ke arah pengimbasan, dan menggunakan ablasi optimum.kelancaran 28. Di samping itu, idea-idea ini membenarkan penciptaan topografi hierarki kompleks untuk kefungsian permukaan lanjutan menggunakan DLIP.
Dalam kajian ini, plat keluli tahan karat elektropolis (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) setebal 0.8 mm telah digunakan.Untuk mengeluarkan sebarang bahan cemar dari permukaan, sampel telah dibasuh dengan teliti dengan etanol sebelum rawatan laser (kepekatan mutlak etanol \(\ge\) 99.9%).
Tetapan DLIP ditunjukkan dalam Rajah 4. Sampel telah dibina menggunakan sistem DLIP yang dilengkapi dengan sumber laser berdenyut ultrashort 12 ps dengan panjang gelombang 532 nm dan kadar ulangan maksimum 50 MHz.Taburan spatial tenaga pancaran ialah Gaussian.Optik yang direka khas menyediakan konfigurasi interferometrik dwi-rasuk untuk mencipta struktur linear pada sampel.Kanta dengan panjang fokus 100 mm menindih dua pancaran laser tambahan pada permukaan pada sudut tetap 6.8\(^\circ\), yang memberikan tempoh spatial kira-kira 4.5 µm.Maklumat lanjut tentang persediaan percubaan boleh didapati di tempat lain50.
Sebelum pemprosesan laser, sampel diletakkan pada plat pemanas pada suhu tertentu.Suhu plat pemanas ditetapkan pada 21 dan 250°C.Dalam semua eksperimen, pancutan udara termampat melintang digunakan dalam kombinasi dengan peranti ekzos untuk mengelakkan pemendapan habuk pada optik.Sistem peringkat x,y disediakan untuk meletakkan sampel semasa penstrukturan.
Kelajuan sistem peringkat kedudukan telah diubah daripada 66 hingga 200 mm/s untuk mendapatkan pertindihan antara denyutan 99.0 hingga 99.67 \(\%\) masing-masing.Dalam semua kes, kadar pengulangan ditetapkan pada 200 kHz, dan kuasa purata ialah 4 W, yang memberikan tenaga setiap nadi sebanyak 20 μJ.Diameter rasuk yang digunakan dalam eksperimen DLIP ialah kira-kira 100 µm, dan ketumpatan tenaga laser puncak yang terhasil ialah 0.5 J/cm\(^{2}\).Jumlah tenaga yang dibebaskan bagi setiap unit luas ialah kelancaran terkumpul puncak yang sepadan dengan 50 J/cm\(^2\) untuk \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) untuk \(o_{\mathrm {p))\)=99.5\(\%\) dan 150 J/cm\(^2\) untuk \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99.67 \(\%\).Gunakan plat \(\lambda\)/2 untuk menukar polarisasi pancaran laser.Untuk setiap set parameter yang digunakan, kawasan seluas lebih kurang 35 × 5 mm\(^{2}\) bertekstur pada sampel.Semua eksperimen berstruktur telah dijalankan di bawah keadaan ambien untuk memastikan kebolehgunaan industri.
Morfologi sampel diperiksa menggunakan mikroskop confocal dengan pembesaran 50x dan resolusi optik dan menegak masing-masing 170 nm dan 3 nm.Data topografi yang dikumpul kemudiannya dinilai menggunakan perisian analisis permukaan.Ekstrak profil daripada data rupa bumi mengikut ISO 1661051.
Sampel juga dicirikan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan pada voltan pecutan 6.0 kV.Komposisi kimia permukaan sampel dinilai menggunakan lampiran spektroskopi sinar-X (EDS) penyebaran tenaga pada voltan pecutan 15 kV.Di samping itu, mikroskop optik dengan objektif 50x digunakan untuk menentukan morfologi berbutir bagi struktur mikro sampel. Sebelum itu, sampel telah terukir pada suhu malar 50 \(^\circ\)C selama lima minit dalam pewarna keluli tahan karat dengan asid hidroklorik dan kepekatan asid nitrik 15–20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \(\%\), masing-masing. Sebelum itu, sampel telah terukir pada suhu malar 50 \(^\circ\)C selama lima minit dalam pewarna keluli tahan karat dengan asid hidroklorik dan kepekatan asid nitrik 15–20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \(\%\), masing-masing. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут в краске из нержавелющески слотами концентрацией 15-20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Sebelum itu, sampel telah terukir pada suhu malar 50 \(^\circ\)C selama lima minit dalam cat keluli tahan karat dengan asid hidroklorik dan nitrik dengan kepekatan 15-20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \( \%\) masing-masing.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C 的恒温蚀刻五分钟，盐酸和硝酸 盐酸和硝典 50\–1% 和硝酸( -<\)5 \ (\%\)，分别。在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C (\%\)，分别。Sebelum itu, sampel telah dijeruk selama lima minit pada suhu malar 50 \(^\circ\)C dalam larutan pewarnaan untuk keluli tahan karat dengan kepekatan asid hidroklorik dan nitrik 15-20 \(\%\) dan 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) masing-masing.
Gambarajah skematik persediaan percubaan bagi persediaan DLIP dua rasuk, termasuk (1) pancaran laser, (2) plat \(\lambda\)/2, (3) kepala DLIP dengan konfigurasi optik tertentu, (4 ) plat panas, (5) bendalir silang , (6) langkah kedudukan x,y dan (7) spesimen keluli tahan karat.Dua rasuk bertindih, dilingkari merah di sebelah kiri, mencipta struktur linear pada sampel pada sudut \(2\theta\) (termasuk kedua-dua s- dan p-polarisasi).
Set data yang digunakan dan/atau dianalisis dalam kajian semasa tersedia daripada pengarang masing-masing atas permintaan yang munasabah.
Masa siaran: Jan-07-2023