Merci fir besicht Nature.com.Dir benotzt eng Browser Versioun mat limitéierter CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).Zousätzlech, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir de Site ouni Stiler a JavaScript.
Weist e Karussell vun dräi Rutschen op eemol.Benotzt d'Previous an Next Knäppercher fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen, oder benotzt d'Slider Knäppercher um Enn fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen.
Direkt Laser Amëschung (DLIP) kombinéiert mat Laser-induzéiert periodesch Uewerfläch Struktur (LIPSS) erlaabt d'Schafung vun funktionell Fläch fir verschidde Materialien.Den Duerchgang vum Prozess gëtt normalerweis erhéicht andeems Dir eng méi héich duerchschnëttlech Laserkraaft benotzt.Allerdéngs féiert dat zu der Akkumulation vun Hëtzt, déi d'Rauwheet an d'Form vum resultéierende Uewerflächemuster beaflosst.Dofir ass et néideg am Detail den Afloss vun der Substrattemperatur op d'Morphologie vun de fabrizéierten Elementer ze studéieren.An dëser Etude war d'Stol Uewerfläch Linn-Muster mat ps-DLIP bei 532 nm.Fir den Effekt vun der Substrattemperatur op déi resultéierend Topographie z'ënnersichen, gouf eng Heizplack benotzt fir d'Temperatur ze kontrolléieren.Heizung op 250 \(^{\circ }\)С huet zu enger däitlecher Ofsenkung vun der Déift vun de geformte Strukturen vun 2,33 bis 1,06 µm gefouert.D'Ofsenkung war verbonne mat der Erscheinung vu verschiddenen Typen vu LIPSS ofhängeg vun der Orientéierung vun de Substratkären a Laser-induzéierter Uewerflächeoxidatioun.Dës Etude weist de staarken Effekt vun der Substrattemperatur, déi och erwaart gëtt wann Uewerflächenbehandlung mat héijer duerchschnëttlecher Laserkraaft duerchgefouert gëtt fir Hëtztakkumulatiounseffekter ze kreéieren.
Surface Behandlungsmethoden baséiert op ultrashort Pulser-Laserbestrahlung sinn op der Spëtzt vun der Wëssenschaft an der Industrie wéinst hirer Fäegkeet fir d'Uewerflächeeigenschaften vun de wichtegsten relevante Materialien ze verbesseren1.Besonnesch, Laser-induzéiert Benotzerdefinéiert Uewerfläch Funktionalitéit ass Staat-vun-der-Konscht iwwer eng breet Palette vun industrielle Secteuren an Applikatioun Szenarie1,2,3.Zum Beispill, Vercillo et al.Anti-Äiseigenschaften goufen op Titanlegierungen fir Raumfaartapplikatiounen bewisen baséiert op Laser-induzéierter Superhydrophobie.Epperlein et al gemellt datt nanosized Features, déi duerch Laseroberflächestrukturéierung produzéiert ginn, de Biofilmwachstum oder d'Inhibitioun op Stahlexemplare beaflosse kënnen5.Zousätzlech, Guai et al.verbessert och d'optesch Eegeschafte vun organeschen Solarzellen.6 Also erlaabt d'Laserstrukturéierung d'Produktioun vun héichopléisende strukturellen Elementer duerch kontrolléiert Ablatioun vum Uewerflächmaterial1.
Eng gëeegent Laserstrukturéierungstechnik fir esou periodesch Uewerflächestrukturen ze produzéieren ass direkt Laserinterferenzformen (DLIP).DLIP baséiert op der Uewerflächeninterferenz vun zwee oder méi Laserstrahlen fir geformte Flächen mat Charakteristiken am Mikrometer- an Nanometerberäich ze bilden.Ofhängeg vun der Zuel an der Polariséierung vun de Laserstrahlen, kann DLIP eng grouss Varietéit vun topographesche Uewerflächestrukturen designen a kreéieren.Eng villverspriechend Approche ass d'DLIP Strukturen mat laserinduzéierten periodeschen Uewerflächenstrukturen (LIPSS) ze kombinéieren fir eng Uewerflächentopographie mat enger komplexer struktureller Hierarchie ze kreéieren8,9,10,11,12.An der Natur sinn dës Hierarchie gewisen datt se nach besser Leeschtung liwweren wéi eenzel Skala Modeller13.
D'LIPSS Funktioun ass ënnerleien zu engem Selbstverstäerkungsprozess (positive Feedback) baséiert op enger ëmmer méi no-Uewerfläch Modulatioun vun der Stralungsintensitéit Verdeelung.Dëst ass wéinst enger Erhéijung vun der Nanoroughness wéi d'Zuel vun ugewandte Laserimpulsen eropgeet 14, 15, 16. Modulatioun geschitt haaptsächlech wéinst der Amëschung vun der emittéierter Welle mam elektromagnéitesche Feld15,17,18,19,20,21 vu refracted an verspreet Wellenkomponenten oder Uewerflächeplasmonen.D'Bildung vu LIPSS gëtt och beaflosst vum Timing vun de Puls22,23.Besonnesch méi héich duerchschnëttlech Laserkraaft si onverzichtbar fir héich Produktivitéit Uewerflächbehandlungen.Dëst erfuerdert normalerweis d'Benotzung vun héije Widderhuelungsraten, also am MHz-Beräich.Dofir ass d'Zäitdistanz tëscht Laserimpulsen méi kuerz, wat zu Wärmeakkumulatiounseffekter féiert 23, 24, 25, 26. Dësen Effekt féiert zu enger allgemenger Erhéijung vun der Uewerflächentemperatur, wat de Mustermechanismus während der Laser-Ablatioun wesentlech beaflosse kann.
An engem fréiere Wierk, Rudenko et al.und Tzibidis et al.E Mechanismus fir d'Bildung vu konvektiven Strukturen gëtt diskutéiert, wat ëmmer méi wichteg sollt ginn wéi d'Hëtztakkumulatioun eropgeet19,27.Also Bauer et al.Korreléiert de kriteschen Betrag vun der Wärmeakkumulatioun mat Mikronoberflächestrukturen.Trotz dësem thermesch induzéierte Strukturbildungsprozess gëtt allgemeng ugeholl datt d'Produktivitéit vum Prozess einfach verbessert ka ginn andeems d'Wiederholungsrate28 erhéicht ginn.Obwuel dëst, am Tour, kann net ouni eng bedeitend Erhéijung vun Hëtzt Stockage erreecht ginn.Dofir kënne Prozessstrategien, déi eng Multilevel Topologie ubidden, net portabel sinn fir méi héije Widderhuelungsraten ouni d'Prozesskinetik a Strukturbildung z'änneren9,12.An dëser Hisiicht ass et ganz wichteg z'ënnersichen wéi d'Substrattemperatur den DLIP-Formatiounsprozess beaflosst, besonnesch wann Dir Schichten Uewerflächemuster mécht wéinst der simultaner Bildung vu LIPSS.
D'Zil vun dëser Etude war den Effekt vun der Substrattemperatur op déi resultéierend Uewerflächentopographie während der DLIP Veraarbechtung vun Edelstahl mat ps Impulser ze evaluéieren.Wärend der Laserveraarbechtung gouf d'Temperatur vum Probesubstrat op 250 \(^\circ\)C mat Hëllef vun enger Heizplack bruecht.Déi doraus resultéierend Uewerfläch Strukture sech mat konfokaler Mikroskopie charakteriséiert, Scannen Elektronen microscopy, an energie-dispersive X-Ray Spektroskopie.
An der éischter Serie vun Experimenter gouf de Stahlsubstrat mat enger Zweestrahl DLIP Konfiguratioun mat enger raimlecher Period vu 4,5 µm an enger Substrattemperatur vun \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ) veraarbecht. }\)C, duerno als "onheizt" Uewerfläch bezeechent.An dësem Fall ass de Puls Iwwerlappung \(o_{\mathrm {p}}\) d'Distanz tëscht zwee Impulser als Funktioun vun der Fleckgréisst.Et variéiert vun 99,0% (100 Impulser pro Positioun) bis 99,67% (300 Impulser pro Positioun).An alle Fäll goufen eng Spëtzenergiedicht \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (fir e Gauss-Äquivalent ouni Interferenz) an eng Widderhuelungsfrequenz f = 200 kHz benotzt.D'Richtung vun der Polariséierung vum Laserstrahl ass parallel zu der Bewegung vun der Positionéierungstabell (Fig. 1a)), déi parallel zu der Richtung vun der linearer Geometrie ass, déi vum Zweestrahlinterferenzmuster erstallt gëtt.Representativ Biller vun de kritt Strukturen mat engem Scannen Elektronenmikroskop (SEM) sinn an Fig.1 a bis c.Fir d'Analyse vun SEM Biller a punkto Topographie z'ënnerstëtzen, goufen Fourier Transformatiounen (FFTs, an donkelen Insets gewisen) op d'Strukturen ausgefouert, déi evaluéiert ginn.An alle Fäll war déi resultéierend DLIP Geometrie siichtbar mat enger raimlecher Period vu 4,5 µm.
Fir de Fall \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% am méi däischter Gebitt vun Fig.1a, entspriechend der Positioun vum Interferenz Maximum, kann een Notzen beobachten, déi méi kleng parallel Strukturen enthalen.Si alternéieren mat méi hell Bänner, déi an enger nanopartikelähnlecher Topographie bedeckt sinn.Well déi parallel Struktur tëscht de Rillen senkrecht zur Polariséierung vum Laserstrahl schéngt an huet eng Period vun \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, liicht manner wéi d'Wellelängt vum Laser \(\lambda\) (532 nm) kann LIPSS mat niddereger raimlecher Frequenz (LSFL-I)15,18 genannt ginn.LSFL-I produzéiert e sougenannte s-Typ Signal am FFT, "s" scattering15,20.Dofir ass d'Signal senkrecht zum staarken zentrale vertikalen Element, deen am Tour duerch d'DLIP Struktur generéiert gëtt (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).D'Signal generéiert vun der linearer Struktur vum DLIP Muster am FFT Bild gëtt als "DLIP-Typ" bezeechent.
SEM Biller vun Uewerflächenstrukturen erstallt mat DLIP.D'Spëtzeenergiedicht ass \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (fir e Gauss-Äquivalent ouni Geräischer) an eng Widderhuelungsquote f = 200 kHz.D'Biller weisen Probetemperatur, Polariséierung an Iwwerlagerung.D'Bewegung vun der Lokalisatiounsphase gëtt mat engem schwaarze Pfeil an (a) markéiert.De schwaarzen Inset weist de entspriechende FFT aus dem 37.25\(\times\)37.25 µm SEM Bild (gewise bis de Wellevector \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 gëtt nm).D'Prozessparameter sinn an all Figur uginn.
Wann Dir weider an d'Figur 1 kuckt, kënnt Dir gesinn datt wann d'\(o_{\mathrm {p}}\) Iwwerlappung eropgeet, d'Sigmoid Signal méi op d'X-Achs vum FFT konzentréiert ass.De Rescht vun LSFL-I éischter méi parallel.Zousätzlech ass d'relativ Intensitéit vum s-Typ Signal erofgaang an d'Intensitéit vum DLIP-Typ Signal erhéicht.Dëst ass wéinst ëmmer méi ausgeschwat Trenches mat méi Iwwerlappung.Och d'X-Achs-Signal tëscht Typ s an dem Zentrum muss aus enger Struktur kommen mat der selwechter Orientéierung wéi LSFL-I awer mat enger méi laanger Period (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1,4 ± 0,2 µm) wéi an der Figur 1c).Dofir gëtt ugeholl datt hir Bildung e Muster vu Gruef am Zentrum vum Trench ass.Déi nei Fonktioun erschéngt och am Héichfrequenzbereich (grouss Wellennummer) vun der Ordinate.D'Signal kënnt aus parallele Ripples op den Häng vum Trench, héchstwahrscheinlech wéinst der Amëschung vum Tëschefall a vir reflektéiert Liicht op den Häng9,14.An der folgender sinn dës Ripples mat LSFL \ (_ \ mathrm {Rand} \) bezeechent, an hir Signaler - duerch Typ -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Am nächste Experiment gouf d'Temperatur vun der Probe op 250 °C ënner der sougenannter "gehëtzter" Uewerfläch bruecht.D'Strukturéierung gouf no der selwechter Veraarbechtungsstrategie duerchgefouert wéi d'Experimenter, déi an der viregter Sektioun ernimmt goufen (Fig. 1a-1c).D'SEM Biller weisen déi resultéierend Topographie wéi an der Fig. 1d-f.D'Erhëtzung vun der Probe op 250 C féiert zu enger Erhéijung vun der Erscheinung vu LSFL, déi Richtung parallel zu der Laserpolariséierung ass.Dës Strukture kënnen als LSFL-II charakteriséiert ginn an hunn eng raimlech Period \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) vun 247 ± 35 nm.Den LSFL-II Signal gëtt net am FFT ugewisen wéinst der héijer Modusfrequenz.Wéi \(o_{\mathrm {p}}\) vun 99,0 op 99,67\(\%\) eropgaang ass (Fig. 1d–e), ass d'Breet vun der helle Bandregioun eropgaang, wat zu der Erscheinung vun engem DLIP-Signal gefouert huet. fir méi wéi héich Frequenzen.Wellennummeren (niddereg Frequenzen) an domat an d'Mëtt vum FFT verschwannen.D'Reihen vu Gruef an der Fig.Ausserdeem schéngt LSFL-II méi kuerz an onregelméisseg geformt ze sinn.Notéiert och datt d'Duerchschnëttsgréisst vun helle Bänner mat Nanograin Morphologie méi kleng ass an dësem Fall.Zousätzlech huet d'Gréisst Verdeelung vun dësen Nanopartikelen sech manner verspreet (oder zu manner Partikelagglomeratioun gefouert) wéi ouni Heizung.Qualitativ kann dëst bewäert ginn andeems d'Zuelen 1a, d respektiv b, e vergläicht.
Wéi d'Iwwerlappung \(o_{\mathrm {p}}\) weider op 99,67% eropgeet (Fig. 1f), ass duerch ëmmer méi offensichtlech Furrows lues a lues eng differenzéiert Topographie entstanen.Allerdéngs schéngen dës grooves manner bestallt a manner déif wéi an der Figur 1c.Niddereg Kontrast tëscht hell an donkel Beräicher vum Bild weist an Qualitéit.Dës Resultater gi weider ënnerstëtzt vun der schwaacher a méi verspreet Signal vun der FFT ordinate zu Fig.. 1f Verglach zu der FFT op c.Méi kleng Striae waren och evident bei der Heizung beim Verglach vu Figuren 1b an e, wat spéider duerch konfokaler Mikroskopie bestätegt gouf.
Nieft dem fréieren Experiment gouf d'Polariséierung vum Laserstrahl ëm 90 \(^{\circ}\ gedréint), wat dozou bruecht huet, datt d'Polariséierungsrichtung senkrecht op d'Positionéierungsplattform beweegt.Op Fig.2a-c weist déi fréi Stadien vun der Strukturbildung, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% an ongeheizt (a), gehëtzt (b) an erhëtzt 90\(^{\ circ }\) - Fall mat rotéierend Polariséierung (c).Fir d'Nanotopographie vun de Strukturen ze visualiséieren, ginn d'Gebidder, déi mat faarwege Quadraten markéiert sinn, a Fig.2d, op enger vergréisserter Skala.
SEM Biller vun Uewerflächenstrukturen erstallt mat DLIP.D'Prozess Parameteren sinn déi selwecht wéi an Fig.1.D'Bild weist d'Prouftemperatur \(T_s\), Polariséierung a Pulsiwwerlappung \(o_\mathrm {p}\).De schwaarzen Inset weist erëm déi entspriechend Fourier-Transformatioun.D'Biller an (d)-(i) sinn Vergréisserunge vun de markéierte Beräicher an (a)-(c).
An dësem Fall kann et gesi ginn datt d'Strukturen an de méi däischter Gebidder vun der Fig. Fig. 2g, ech), déi aus der Orientéierung vum s-Typ Signal an der entspriechender FFT gesi ginn.D'Bandbreedung vun der LSFL-I Period erschéngt méi grouss am Verglach mat der Period b, a seng Gamme gëtt a méi kleng Perioden an der Fig.Sou kann déi folgend LSFL raimlech Period op der Probe bei verschiddenen Heiztemperaturen observéiert ginn: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm bei 21 ^{ \circ }\ )C (Fig. 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm an \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II) }} \) = 247 ± 35 nm bei 250 ° C (Figebam. 2b) fir s Polarisatioun.Am Géigendeel, déi raimlech Period vun der p-Polariséierung an 250 \(^{\circ }\)C ass gläich wéi \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm an \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Fig. 2c).
Notamment weisen d'Resultater datt just duerch d'Erhéijung vun der Probetemperatur d'Uewerflächemorphologie tëscht zwee Extremer wiessele kann, dorënner (i) eng Uewerfläch mat nëmmen LSFL-I Elementer an (ii) e Gebitt mat LSFL-II bedeckt.Well d'Bildung vun dëser spezieller Aart vu LIPSS op Metalloberflächen mat Uewerflächoxidschichten assoziéiert ass, gouf d'Energie dispersiv Röntgenanalyse (EDX) gemaach.Table 1 resüméiert d'Resultater.All Bestëmmung gëtt duerch duerchschnëttlech op d'mannst véier Spektra op verschiddene Plazen op der Uewerfläch vun der veraarbechter Probe duerchschnëttlech.D'Miessunge gi bei verschiddene Probetemperaturen \(T_\mathrm{s}\) a verschiddene Positiounen vun der Probefläche mat onstrukturéierten oder strukturéierte Beräicher duerchgefouert.D'Miessunge enthalen och Informatioun iwwer déi méi déif onoxidéiert Schichten, déi direkt ënner dem behandelte geschmollte Gebitt leien, awer bannent der Elektronenpenetratiounsdéift vun der EDX Analyse.Wéi och ëmmer, et sollt bemierkt datt den EDX limitéiert ass a senger Fäegkeet fir de Sauerstoffgehalt ze quantifizéieren, sou datt dës Wäerter hei nëmmen eng qualitativ Bewäertung kënnen ginn.
Déi onbehandelt Portioune vun de Proben hunn net bedeitend Quantitéiten u Sauerstoff bei all Operatiounstemperaturen gewisen.No der Laserbehandlung ass de Sauerstoffniveau an alle Fäll eropgaang31.Den Ënnerscheed an der elementarer Zesummesetzung tëscht den zwou onbehandelte Proben war wéi erwaart fir déi kommerziell Stahlproben, a wesentlech méi héich Kuelewäerter goufen am Verglach zum Hiersteller Datenblat fir AISI 304 Stol fonnt wéinst Kuelewaasserstoffkontaminatioun32.
Ier Dir iwwer méiglech Grënn fir d'Ofsenkung vun der Groove-Ablatiounsdéift an den Iwwergank vun LSFL-I op LSFL-II diskutéiert, gi Kraaftspektraldicht (PSD) an Héichtprofile benotzt.
(i) Déi quasi-zweedimensional normaliséiert Kraaftspektral Dicht (Q2D-PSD) vun der Uewerfläch gëtt als SEM-Biller an de Figuren 1 an 2. 1 an 2 gewisen. Well de PSD normaliséiert ass, soll eng Ofsenkung vum Zommsignal sinn versteet als Erhéijung vum konstanten Deel (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), net ugewisen), also Glatheet.(ii) Korrespondent heescht Uewerfläch Héicht Profil.Probetemperatur \(T_s\), Iwwerlappung \(o_{\mathrm {p}}\), a Laserpolariséierung E relativ zu der Orientéierung \(\vec {v}\) vun der Positionéierungsplattformbewegung ginn an all Diagrammer gewisen.
Fir den Androck vun SEM Biller ze quantifizéieren, gouf en duerchschnëttlecht normaliséierter Kraaftspektrum aus mindestens dräi SEM Biller fir all Parameterset generéiert andeems Dir all eendimensional (1D) Kraaftspektraldensitéiten (PSDs) an der x- oder y-Richtung duerchschnëtt.Déi entspriechend Grafik gëtt an der Figur 3i gewisen, déi d'Frequenzverschiebung vum Signal a säi relative Bäitrag zum Spektrum weist.
Op Fig.3ia, c, e, den DLIP Peak wächst no \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ (^{- 1}\) oder déi entspriechend méi héich Harmonie wéi d'Iwwerlappung eropgeet \(o_{\mathrm {p))\).Eng Erhéijung vun der fundamentaler Amplitude war mat enger méi staarker Entwécklung vun der LRIB Struktur verbonnen.D'Amplitude vu méi héijer Harmonie erhéicht mat der Steilheet vum Hang.Fir véiereckege Funktiounen als limitéierende Fäll erfuerdert d'Approximatioun déi gréisst Unzuel u Frequenzen.Dofir kann den Héichpunkt ëm 1,4 µm\(^{-1}\) an der PSD an déi entspriechend Harmonie als Qualitéitsparameter fir d'Form vun der Groove benotzt ginn.
Am Géigendeel, wéi an der Fig.Zousätzlech, an der Fig.3(i)f weist datt dat zweet harmonescht Signal souguer d'fundamental Signal iwwerschreift.Dëst reflektéiert déi méi onregelméisseg a manner ausgeschwat DLIP Struktur vun der gehëtzter Prouf (am Verglach mat \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Eng aner Feature ass datt wann d'Iwwerlappung \(o_{\mathrm {p}}\) eropgeet, verännert dat resultéierend LSFL-I Signal op eng méi kleng Wellenzuel (méi laang Period).Dëst kann erkläert ginn duerch d'erhéite Steilheet vun de Kante vum DLIP Modus an der assoziéierter lokaler Erhéijung vum Inzidenzwénkel14,33.No dësem Trend konnt och d'Verbreedung vum LSFL-I Signal erkläert ginn.Nieft de géi Steigungen ginn et och flaach Flächen um Buedem an iwwer de Kamm vun der DLIP-Struktur, wat eng méi breet Palette vun LSFL-I Perioden erlaabt.Fir héich absorbéierend Materialien gëtt d'LSFL-I Period normalerweis als geschätzt:
wou \(\theta\) den Inzidenzwénkel ass, an d'Abonnementer s an p bezéien sech op verschidde Polarisatiounen33.
Et sollt bemierkt datt d'Inzidenzfläch fir eng DLIP-Setup normalerweis senkrecht zur Bewegung vun der Positionéierungsplattform ass, wéi an der Figur 4 (kuckt d'Materialien a Methoden Sektioun).Dofir ass d'S-Polariséierung als Regel parallel zu der Bewegung vun der Bühn, an d'P-Polariséierung ass senkrecht domat.Laut der Equatioun.(1), fir s-Polariséierung gëtt eng Verbreedung an eng Verréckelung vum LSFL-I Signal a Richtung méi kleng Wellenzuel erwaart.Dëst ass wéinst der Erhéijung vun \(\theta\) an dem Wénkelberäich \(\theta \pm \delta \theta\) wéi d'Trieftiefe eropgeet.Dëst kann gesi ginn andeems d'LSFL-I Peaks an der Figur 3ia,c,e vergläicht.
Geméiss d'Resultater an der Fig.1c, LSFL\(_\mathrm {rand}\) ass och an der entspriechender PSD an der Fig.3 ech.Op Fig.3ig, h weist de PSD fir p-Polariséierung.Den Ënnerscheed an den DLIP Peaks ass méi ausgeschwat tëscht gehëtzten an onerhëtzten Proben.An dësem Fall iwwerlappt d'Signal vum LSFL-I mat de méi héije Harmonie vum DLIP Peak, wat zum Signal no bei der Laserwellelängt bäidréit.
Fir d'Resultater méi detailléiert ze diskutéieren, an der Figur 3ii weist d'strukturell Déift an d'Iwwerlappung tëscht Impulser vun der DLIP linearer Héichtverdeelung bei verschiddenen Temperaturen.De vertikalen Héichtprofil vun der Uewerfläch gouf duerch zéng individuell vertikal Héichtprofile ronderëm den Zentrum vun der DLIP Struktur duerchschnëttlech kritt.Fir all applizéiert Temperatur erhéicht d'Tiefe vun der Struktur mat enger Erhéijung vun der Pulsüberlappung.De Profil vun der erhëtzter Probe weist Nuten mat mëttlere Peak-to-Peak (pvp) Wäerter vun 0,87 µm fir s-Polariséierung an 1,06 µm fir p-Polariséierung.Am Géigesaz, s-Polariséierung an p-Polariséierung vun der ongeheizter Probe weisen pvp vun 1,75 µm respektiv 2,33 µm.Déi entspriechend pvp ass am Héichtprofil an der Fig.3ii.All PvP Moyenne gëtt berechent andeems Dir aacht eenzel PvPs duerchschnëtt.
Zousätzlech, an der Fig.3iig, h weist d'p-Polariséierung Héicht Verdeelung senkrecht op de positionéiert System an Groove Bewegung.D'Richtung vun der p-Polariséierung huet e positiven Effekt op d'Déift vun der Groove well et zu engem liicht méi héije pvp bei 2,33 µm am Verglach zu der s-Polariséierung bei 1,75 µm pvp resultéiert.Dëst entsprécht am Tour d'Rillen a Bewegung vum Positionéierungsplattformsystem.Dësen Effekt kann duerch eng méi kleng Struktur am Fall vun s-Polarisatioun am Verglach zu de Fall vun p-Polariséierung verursaacht ginn (kuckt Fig. 2f, h), déi an der nächster Rubrik weider diskutéiert ginn.
Den Zweck vun der Diskussioun ass d'Ofsenkung vun der Groove Déift duerch d'Verännerung vun der Haapt LIPS Klass (LSFL-I zu LSFL-II) am Fall vun gehëtzt Echantillon z'erklären.Also beäntwert déi folgend Froen:
Fir déi éischt Fro ze beäntweren, ass et néideg d'Mechanismen ze berücksichtegen, déi verantwortlech sinn fir d'Reduktioun vun der Ablatioun.Fir een eenzegen Puls bei normaler Heefegkeet kann d'Ablatiounstiefe beschriwwe ginn als:
wou \(\delta _{\mathrm {E}}\) d'Energiepenetratiounsdéift ass, \(\Phi\) an \(\Phi _{\mathrm {th}}\) d'Absorptiounsfluenz an d'Ablatiounsfluenz sinn Schwell, respektiv34.
Mathematesch huet d'Tiefe vun der Energiepenetratioun e multiplikativen Effekt op d'Tiefe vun der Ablatioun, während d'Verännerung vun der Energie e logarithmesche Effekt huet.Also Fluenzenännerungen beaflossen \(\Delta z\) net sou laang wéi \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Wéi och ëmmer, staark Oxidatioun (zum Beispill wéinst der Bildung vu Chromoxid) féiert zu méi staarken Cr-O35 Bindungen am Verglach zu Cr-Cr Bindungen, an doduerch d'Ablatiounsschwell erop.Dofir ass \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) net méi zefridden, wat zu enger séierer Ofsenkung vun der Ablatiounsdéift mat erofgaangener Energiefluxdicht féiert.Ausserdeem ass eng Korrelatioun tëscht dem Oxidatiounszoustand an der Period vum LSFL-II bekannt, wat duerch Verännerungen an der Nanostruktur selwer an den opteschen Eegeschafte vun der Uewerfläch duerch Uewerflächoxidatioun30,35 erkläert ka ginn.Dofir ass déi exakt Uewerflächeverdeelung vun der Absorptiounsfluence \(\Phi\) wéinst der komplexer Dynamik vun der Interaktioun tëscht der Strukturperiod an der Dicke vun der Oxidschicht.Ofhängeg vun der Period beaflosst d'Nanostruktur staark d'Verdeelung vum absorbéierten Energieflux wéinst enger schaarfer Erhéijung vum Feld, Excitatioun vun Uewerflächeplasmonen, aussergewéinlech Liichttransfer oder Streuung17,19,20,21.Dofir ass \(\Phi\) bei der Uewerfläch staark inhomogen, an \(\delta _ {E}\) ass wahrscheinlech net méi méiglech mat engem Absorptiounskoeffizient \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) fir de ganze Uewerflächevolumen.Zënter datt d'Dicke vum Oxidfilm haaptsächlech vun der Verstäerkungszäit hänkt [26], hänkt den Nomenklatureffekt vun der Probetemperatur of.Déi optesch Mikrographen, déi an der Figur S1 am Ergänzungsmaterial gewise ginn, weisen Ännerungen an den opteschen Eegeschaften.
Dës Effekter erklären deelweis déi flaach Trenchdéift am Fall vu klenge Uewerflächestrukturen an de Figuren 1d, e an 2b, c an 3 (ii) b, d, f.
LSFL-II ass bekannt fir op Hallefleit, Dielektrik a Materialien ze bilden déi ufälleg fir Oxidatioun14,29,30,36,37.Am leschte Fall ass d'Dicke vun der Uewerflächoxidschicht besonnesch wichteg30.D'EDX Analyse duerchgefouert huet d'Bildung vun Uewerflächoxiden op der strukturéierter Uewerfläch opgedeckt.Also, fir ongeheizte Proben, schéngt ambient Sauerstoff zu der deelweiser Bildung vu Gaspartikelen an deelweis d'Bildung vun Uewerflächeoxiden bäizedroen.Béid Phänomener maachen e wesentleche Bäitrag zu dësem Prozess.Am Géigendeel, fir erhëtzt Proben, Metalloxide vu verschiddenen Oxidatiounszoustand (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, etc.) sinn kloer 38 fir.Zousätzlech zu der erfuerderter Oxidschicht ass d'Präsenz vun der Ënnerwellelängt Rauhheet, haaptsächlech héich raimlech Frequenz LIPSS (HSFL), noutwendeg fir déi erfuerderlech Ënnerwellelängt (D-Typ) Intensitéitsmodi ze bilden14,30.De finalen LSFL-II Intensitéitsmodus ass eng Funktioun vun der HSFL Amplitude an der Oxiddicke.De Grond fir dëse Modus ass déi wäitfeldinterferenz vu Liicht, dat vum HSFL verstreet gëtt a Liicht, dat an d'Material gebrach ass a sech an der Uewerfläch dielektrescht Material verbreet20,29,30.SEM Biller vum Rand vum Uewerflächemuster an der Figur S2 an der Sektioun Supplementary Materials sinn indikativ fir existéierend HSFL.Dës baussenzeg Regioun ass schwaach vun der Peripherie vun der Intensitéitverdeelung beaflosst, wat d'Bildung vun HSFL erlaabt.Duerch d'Symmetrie vun der Intensitéitsverdeelung fënnt dësen Effekt och laanscht d'Scannerrichtung statt.
Probeheizung beaflosst den LSFL-II-Formatiounsprozess op verschidde Manéieren.Engersäits huet eng Erhéijung vun der Probetemperatur \(T_\mathrm{s}\) e vill méi groussen Effekt op den Taux vun der Verstäerkung an der Ofkillung wéi d'Dicke vun der geschmollte Schicht26.Also ass d'flësseg Interface vun enger erhëtzter Probe fir eng méi laang Zäit u Sauerstoff am Ëmfeld ausgesat.Zousätzlech erlaabt d'Verspéidung vun der Verstäerkung d'Entwécklung vu komplexe konvektiven Prozesser, déi d'Vermëschung vu Sauerstoff an Oxiden mat flëssege Stahl26 erhéijen.Dëst kann bewisen ginn andeems Dir d'Dicke vun der Oxidschicht vergläicht, déi nëmmen duerch Diffusioun geformt gëtt (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Déi entspriechend Koagulatiounszäit ass \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, an den Diffusiounskoeffizient \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Däitlech méi héich Dicke gouf an der LSFL-II-Formatioun observéiert oder erfuerderlech30.Op der anerer Säit beaflosst d'Heizung och d'Bildung vun HSFL an domat d'Streuungsobjekter déi néideg sinn fir an den LSFL-II d-Typ Intensitéit Modus ze iwwergoen.D'Belaaschtung vun Nanovoiden, déi ënner der Uewerfläch gefaange sinn, suggeréiert hir Bedeelegung un der Bildung vum HSFL39.Dës Mängel kënnen den elektromagnéiteschen Hierkonft vun HSFL duerstellen wéinst der erfuerderlecher Héichfrequenz periodesch Intensitéit Muster14,17,19,29.Zousätzlech sinn dës generéiert Intensitéitsmodi méi eenheetlech mat enger grousser Zuel vun Nanovoiden19.Also kann de Grond fir d'Erhéijung vun der Heefegkeet vun HSFL duerch d'Ännerung vun der Dynamik vun Kristallsfäegkeeten erkläert ginn wéi \(T_\mathrm{s}\) eropgeet.
Et gouf viru kuerzem gewisen datt d'Ofkillungsquote vu Silizium e Schlësselparameter fir intrinsesch interstitiell Iwwersaturatioun ass an domat fir d'Akkumulatioun vu Punktdefekte mat der Bildung vun Dislokatiounen40,41.Molekulare Dynamik Simulatioune vu reinen Metaller hu gewisen datt d'Vacances während der rapider Rekristalliséierung iwwersaturéieren, an domat geet d'Akkumulation vu Vakanzen an Metaller op eng ähnlech Manéier weider42,43,44.Zousätzlech hunn rezent experimentell Studien vu Sëlwer op de Mechanismus vun der Bildung vu Void a Cluster konzentréiert wéinst der Akkumulation vu Punktdefekter45.Dofir kann eng Erhéijung vun der Temperatur vun der Probe \(T_\mathrm {s}\) an doduerch eng Ofsenkung vun der Ofkillungsquote d'Bildung vu Void beaflossen, déi d'Käre vum HSFL sinn.
Wann Vakanzen déi néideg Virgänger fir Huelraim sinn an dofir HSFL, soll d'Probetemperatur \(T_s\) zwee Effekter hunn.Engersäits beaflosst \(T_s\) den Taux vun der Rekristalliséierung an doduerch d'Konzentratioun vu Punktdefekte (Vacance Konzentratioun) am gewuessene Kristall.Op der anerer Säit beaflosst et och d'Ofkillungsquote no der Verstäerkung, an doduerch d'Diffusioun vu Punktdefekte am Kristall 40,41 beaflosst.Zousätzlech hänkt d'Verstäerkungsquote vun der kristallographescher Orientéierung of an ass also héich anisotropesch, sou wéi d'Diffusioun vu Punktdefekter42,43.Laut dëser Viraussetzung, wéinst der anisotropescher Äntwert vum Material, gëtt d'Interaktioun vu Liicht a Matière anisotropesch, wat am Tour dës deterministesch periodesch Verëffentlechung vun Energie verstäerkt.Fir polycrystalline Materialien kann dëst Verhalen duerch d'Gréisst vun engem eenzege Kär limitéiert ginn.Tatsächlech ass d'LIPSS-Bildung bewisen ofhängeg vun der Kornorientéierung46,47.Dofir kann den Effekt vun der Probetemperatur \(T_s\) op d'Kristalliséierungsquote net sou staark sinn wéi den Effekt vun der Kornorientéierung.Also liwwert déi verschidde kristallographesch Orientéierung vu verschiddene Kären eng potenziell Erklärung fir d'Erhéijung vun Voiden an Aggregatioun vun HSFL respektiv LSFL-II.
Fir déi initial Indikatiounen vun dëser Hypothese ze klären, goufen d'Rohproben geätzt fir d'Kornbildung no un der Uewerfläch ze weisen.Verglach vu Kären an Fig.S3 gëtt am Zousazmaterial gewisen.Zousätzlech erschéngen LSFL-I an LSFL-II a Gruppen op erhëtzte Proben.D'Gréisst an d'Geometrie vun dëse Stärekéip entspriechen der Kärgréisst.
Ausserdeem geschitt HSFL nëmmen an engem schmuele Beräich bei nidderegen Fluxdichten wéinst senger konvektiver Hierkonft19,29,48.Dofir, bei Experimenter, geschitt dëst wahrscheinlech nëmmen op der Peripherie vum Strahlprofil.Dofir ass HSFL op net-oxidéierten oder schwaach oxidéierten Flächen geformt, wat d'Oxidfraktioune vu behandelt an onbehandelt Proben evident ginn ass (kuckt Tabelle reftab: Beispill).Dëst bestätegt d'Annahme datt d'Oxidschicht haaptsächlech vum Laser induzéiert gëtt.
Gitt datt d'LIPSS-Formatioun typesch ofhängeg vun der Unzuel vun de Puls ass wéinst Inter-Puls-Feedback, kënnen HSFLs duerch méi grouss Strukture ersat ginn wéi d'Pulsiwwerlappung eropgeet19.E manner reegelméissegen HSFL resultéiert an e manner reegelméissegen Intensitéit Muster (d-Modus) erfuerderlech fir d'Bildung vum LSFL-II.Dofir, wéi d'Iwwerlappung vun \(o_\mathrm {p}\) eropgeet (kuckt Fig. 1 vun de), reduzéiert d'Regularitéit vun LSFL-II.
Dës Etude ënnersicht den Effet vun der Substrat Temperatur op der Uewerfläch Morphologie vun laser strukturéiert DLIP behandelt STAINLESS Stol.Et gouf fonnt datt d'Heizung vum Substrat vun 21 bis 250 ° C zu enger Ofsenkung vun der Ablatiounsdéift vun 1,75 bis 0,87 µm an der s-Polariséierung a vun 2,33 bis 1,06 µm an der p-Polariséierung féiert.Dës Ofsenkung ass wéinst der Verännerung vum LIPSS-Typ vun LSFL-I op LSFL-II, wat mat enger laserinduzéierter Uewerflächoxidschicht bei enger méi héijer Probetemperatur assoziéiert ass.Zousätzlech kann LSFL-II Schwellflux erhéijen wéinst verstäerkter Oxidatioun.Et gëtt ugeholl datt an dësem technologesche System mat héijer Puls Iwwerlappung, duerchschnëttlech Energiedicht an duerchschnëttlech Widderhuelungsquote, d'Optriede vun LSFL-II och duerch d'Verännerung vun der Dislokatiounsdynamik bestëmmt gëtt duerch Probeheizung.D'Aggregatioun vu LSFL-II gëtt hypothetiséiert wéinst der Kornorientéierungsofhängeger Nanovoidbildung, wat zu HSFL als Virgänger fir LSFL-II féiert.Zousätzlech gëtt den Afloss vun der Polariséierungsrichtung op d'Strukturperiod an d'Bandbreedung vun der Strukturperiod studéiert.Et stellt sech eraus datt p-Polariséierung méi effizient ass fir den DLIP Prozess wat d'Ablatiounsdéift ugeet.Insgesamt entdeckt dës Studie eng Rei vu Prozessparameter fir d'Tiefe vun der DLIP Ablatioun ze kontrolléieren an ze optimiséieren fir personaliséiert Uewerflächemuster ze kreéieren.Schlussendlech ass den Iwwergank vun LSFL-I op LSFL-II ganz Hëtzt ugedriwwen an eng kleng Erhéijung vun der Widderhuelungsquote gëtt erwaart mat konstante Pulsiwwerlappung wéinst verstäerkter Hëtztopbau24.All dës Aspekter si relevant fir déi kommend Erausfuerderung vum DLIP-Prozess auszebauen, zum Beispill duerch d'Benotzung vu polygonale Scannersystemer49.Fir d'Hëtztopbau ze minimiséieren, kann déi folgend Strategie gefollegt ginn: d'Scannergeschwindegkeet vum polygonale Scanner sou héich wéi méiglech halen, profitéieren vun der méi grousser Laser Fleckgréisst, orthogonal op d'Scannenrichtung, a benotzt optimal Ablatioun.fléissend 28. Zousätzlech, erlaben dës Iddien der Kreatioun vun komplex hierarchesch Topographie fir fortgeschratt Uewerfläch funktionalization benotzt DLIP.
An dëser Etude goufen elektropoléiert Edelstahlplacke (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) 0,8 mm déck benotzt.Fir all Verschmotzung vun der Uewerfläch ze entfernen, goufen d'Proben virsiichteg mat Ethanol virun der Laserbehandlung gewäsch (absolute Konzentratioun vun Ethanol \(\ge\) 99,9%).
D'DLIP-Astellung gëtt an der Figur 4 gewisen. Echantillon goufen mat engem DLIP-System gebaut mat enger 12 ps ultrashort gepulste Laserquell mat enger Wellelängt vu 532 nm an enger maximaler Widderhuelungsrate vu 50 MHz.D'raimlech Verdeelung vun der Strahlenergie ass Gaussesch.Speziell entworf Optik bitt eng Dual-Beam interferometresch Konfiguratioun fir linear Strukturen op der Probe ze kreéieren.Eng Lens mat enger Brennwäit vun 100 mm iwwerlagert zwee zousätzlech Laserstrahlen op der Uewerfläch mat engem fixe Wénkel vu 6,8\(^\circ\), wat eng raimlech Period vu ronn 4,5 µm gëtt.Méi Informatioun iwwer den experimentellen Opbau kann soss anzwousch fonnt ginn50.
Virun der Laserveraarbechtung gëtt d'Probe op enger Heizplack bei enger bestëmmter Temperatur geluecht.D'Temperatur vun der Heizplack gouf op 21 an 250 ° C gesat.An allen Experimenter gouf e transversale Jet vu kompriméierter Loft a Kombinatioun mat engem Auspuffapparat benotzt fir Staubablagerung op der Optik ze verhënneren.En x, y Etapp System ass opgestallt fir d'Probe während der Strukturéierung ze positionéieren.
D'Geschwindegkeet vum Positionéierungsbühnesystem gouf vu 66 bis 200 mm/s variéiert fir eng Iwwerlappung tëscht Impulsen vun 99,0 bis 99,67 \(\%\) respektiv ze kréien.An alle Fäll war d'Wiederholungsquote op 200 kHz fixéiert, an d'Duerchschnëttskraaft war 4 W, wat eng Energie pro Puls vun 20 μJ huet.De Strahlenduerchmiesser, deen am DLIP-Experiment benotzt gëtt, ass ongeféier 100 µm, an déi resultéierend Spëtzelaserenergiedicht ass 0,5 J/cm\(^{2}\).D'total Energie, déi pro Eenheet Beräich fräigesat ass, ass d'Spëtzt kumulativ Fluence entspriechend 50 J/cm\(^2\) fir \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) fir \(o_{\mathrm {p))\)=99.5\(\%\) an 150 J/cm\(^2\) fir \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99.67 \(\%\).Benotzt d'\(\lambda\)/2 Plack fir d'Polariséierung vum Laserstrahl z'änneren.Fir all Set vu benotzte Parameteren ass e Gebitt vun ongeféier 35 × 5 mm\(^{2}\) op der Probe texturéiert.All strukturéiert Experimenter goufen ënner Ëmgéigend Bedéngungen duerchgefouert fir industriell Uwendung ze garantéieren.
D'Morphologie vun de Proben gouf iwwerpréift mat engem konfokale Mikroskop mat enger 50x Vergréisserung an enger optescher a vertikaler Opléisung vun 170 nm an 3 nm respektiv.Déi gesammelt topographesch Donnéeën goufen duerno mat Uewerflächanalysesoftware bewäert.Extrait Profiler aus Terrain Daten no ISO 1661051.
D'Proben goufen och mat engem Scannen Elektronenmikroskop bei enger Beschleunigungsspannung vu 6,0 kV charakteriséiert.Déi chemesch Zesummesetzung vun der Uewerfläch vun de Proben gouf mat enger energiedispergéierender Röntgenspektroskopie (EDS) Befestigung bei enger Beschleunigungsspannung vu 15 kV bewäert.Zousätzlech gouf en opteschen Mikroskop mat engem 50x Objektiv benotzt fir d'granulär Morphologie vun der Mikrostruktur vun de Proben ze bestëmmen. Virdru goufen d'Proben bei enger konstanter Temperatur vu 50 \(^\circ\)C fir fënnef Minutten an engem Edelstahlfleck mat Salzsäure an Salpetersäure Konzentratioun vu 15-20 \(\%\) an 1\( -<\)5 \(\%\), respektiv. Virdru goufen d'Proben bei enger konstanter Temperatur vu 50 \(^\circ\)C fir fënnef Minutten an engem Edelstahlfleck mat Salzsäure an Salpetersäure Konzentratioun vu 15-20 \(\%\) an 1\( -<\)5 \(\%\), respektiv. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\) \(^\circ\) азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) an 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Virdru goufen d'Proben bei enger konstanter Temperatur vu 50 \(^\circ\)C fir fënnef Minutten an Edelstahllack mat Salz- an Salpetersäure mat enger Konzentratioun vu 15-20 \(\%\) an 1\() geätzt. -<\)5 \( \%\) respektiv.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，鸡酸和为縵坸和\(5%)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。Virdru goufen d'Proben fir fënnef Minutten bei enger konstanter Temperatur vu 50 \(^\circ\)C an enger Faarfléisung fir Edelstahl mat enger Konzentratioun vu Salz- an Salpetersäuren 15-20 \(\%\) an 1 gepickt. \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) respektiv.
Schematesch Diagramm vum experimentellen Opbau vun engem Zwee-Beam DLIP Setup, dorënner (1) e Laserstrahl, (2) eng \(\lambda\)/2 Plack, (3) en DLIP Kapp mat enger bestëmmter optescher Konfiguratioun, (4) ) eng waarm Plack, (5) eng Kräiz-fluidic, (6) x, y positionéiert Schrëtt an (7) Edelstahl Exemplare.Zwee iwwerlagert Trägere, lénks a rout ëmkreest, kreéieren linear Strukturen op der Probe bei \(2\theta\) Wénkel (dorënner souwuel s- a p-Polariséierung).
D'Datesätz, déi an der aktueller Etude benotzt an / oder analyséiert ginn, sinn op raisonnabel Ufro vun de jeweilegen Autoren verfügbar.
Post Zäit: Jan-07-2023