Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik.CSS laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsioa erabiltzen ari zara.Esperientzia onena lortzeko, eguneratutako arakatzailea erabiltzea gomendatzen dugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea).Horrez gain, etengabeko laguntza bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScript gabe erakusten dugu.
Hiru diapositibako karrusel bat bistaratzen du aldi berean.Erabili Aurrekoa eta Hurrengoa botoiak aldi berean hiru diapositibatik mugitzeko, edo erabili amaierako graduatzaile-botoiak hiru diapositibatik aldi berean mugitzeko.
Laser interferentzia zuzenak (DLIP) laser bidez eragindako gainazaleko egitura periodikoarekin (LIPSS) konbinatuta hainbat materialentzako gainazal funtzionalak sortzea ahalbidetzen du.Prozesuaren errendimendua handitu ohi da laserren batez besteko potentzia handiagoa erabiliz.Hala ere, horrek beroa metatzea dakar, eta horrek sortzen duen azalera-ereduaren zimurtasunari eta formari eragiten dio.Horregatik, beharrezkoa da zehatz-mehatz aztertzea substratuaren tenperaturak fabrikatutako elementuen morfologian duen eragina.Azterketa honetan, altzairuzko gainazala ps-DLIP-rekin marraztu zen 532 nm-ra.Substratuaren tenperaturak sortutako topografian duen eragina ikertzeko, berogailu-plaka bat erabili zen tenperatura kontrolatzeko.250 \(^{\circ }\)С-ra berotzeak eratutako egituren sakonera nabarmen murriztu zuen 2,33 µm-tik 1,06 µm-ra.Jaitsiera LIPSS mota desberdinen agerpenarekin lotu zen substratuaren aleen orientazioaren eta laser bidezko gainazaleko oxidazioaren arabera.Azterketa honek substratuaren tenperaturaren efektu handia erakusten du, gainazaleko tratamendua laserren batez besteko potentzia handian egiten denean ere espero den beroa metatzeko efektuak sortzeko.
Pultsu ultralaburreko laser irradiazioan oinarritutako gainazaleko tratamendu-metodoak zientziaren eta industriaren abangoardian daude material garrantzitsuenen gainazaleko propietateak hobetzeko duten gaitasunagatik1.Bereziki, laser bidez eragindako gainazaleko funtzionaltasuna punta-puntakoa da industria-sektore eta aplikazio-eszenatoki ugaritan1,2,3.Adibidez, Vercillo et al.Izotzaren aurkako propietateak frogatu dira laser bidez eragindako superhidrofobikotasunean oinarritutako aplikazio aeroespazialetarako titaniozko aleazioetan.Epperlein et al-ek jakinarazi zuten laser-gainazaleko egiturak sortutako nano-tamainako ezaugarriek biofilmen hazkuntzan edo inhibizioan eragina izan dezaketela altzairuzko aleetan5.Horrez gain, Guai et al.eguzki-zelula organikoen propietate optikoak ere hobetu zituen.6 Horrela, laser egituratzeak bereizmen handiko egitura-elementuak ekoiztea ahalbidetzen du, gainazaleko materialaren ablazio kontrolatuaren bidez1.
Gainazaleko egitura periodikoak ekoizteko laser egituraketa-teknika egokia laser interferentzia zuzeneko konformazioa (DLIP) da.DLIP bi laser izpi edo gehiagoren gainazaleko hurbileko interferentzian oinarritzen da, mikrometro eta nanometro barruko ezaugarriak dituzten gainazal ereduak osatzeko.Laser izpien kopuruaren eta polarizazioaren arabera, DLIP-ek azalera topografiko-egitura ugari diseinatu eta sor ditzake.Ikuspegi itxaropentsua da DLIP egiturak laser bidezko gainazaleko egitura periodikoekin (LIPSS) konbinatzea, hierarkia estruktural konplexu batekin gainazaleko topografia bat sortzeko8,9,10,11,12.Naturan, hierarkia hauek eskala bakarreko modeloek baino errendimendu are hobea ematen dutela frogatu da13.
LIPSS funtzioa autoanplifikazio-prozesu baten menpe dago (feedback positiboa), erradiazio-intentsitatearen banaketaren gainazaleko hurbileko modulazio gero eta handiagoan oinarrituta.Hau nanozorrotasunaren handitzearen ondorioz gertatzen da aplikatutako laser pultsuen kopurua handitzen den heinean 14, 15, 16. Modulazioa batez ere igorritako uhinak eremu elektromagnetikoarekin duen interferentziaren ondorioz gertatzen da15,17,18,19,20,21 errefraktatu eta sakabanatutako uhin-osagaiak edo gainazaleko plasmoiak.LIPSS-en eraketak pultsuen denborak ere eragiten du22,23.Bereziki, batez besteko laser potentzia handiagoak ezinbestekoak dira produktibitate handiko gainazaleko tratamenduetarako.Honek normalean errepikapen-tasa altuak erabiltzea eskatzen du, hau da, MHz tartean.Ondorioz, laser pultsuen arteko denbora-distantzia laburragoa da, eta horrek bero-metaketaren efektuak eragiten ditu 23, 24, 25, 26. Efektu honek gainazaleko tenperaturaren igoera orokorra dakar, eta horrek nabarmen eragin dezake diseinu-mekanismoan laser ablazioan zehar.
Aurreko lan batean, Rudenko et al.eta Tzibidis et al.Konbekzio-egiturak eratzeko mekanismo bat eztabaidatzen da, bero-metaketa handitu ahala gero eta garrantzi handiagoa izan beharko lukeena19,27.Horrez gain, Bauer et al.Bero-metaketaren kantitate kritikoa mikra gainazaleko egiturekin korrelatzea.Termikoki induzitutako egitura eratzeko prozesu hori gorabehera, orokorrean uste da prozesuaren produktibitatea hobetu daitekeela errepikapen-tasa handituz besterik gabe28.Nahiz eta hori, bero-biltegiratzea nabarmen handitu gabe lortu ezin den.Hori dela eta, maila anitzeko topologia eskaintzen duten prozesu-estrategiak ez dira eramangarriak errepikapen-tasa handiagoak prozesu-zinetika eta egitura-eraketa aldatu gabe9,12.Zentzu honetan, oso garrantzitsua da substratuaren tenperaturak DLIP eraketa-prozesuan nola eragiten duen ikertzea, batez ere LIPSS aldibereko eraketa dela eta geruzadun gainazaleko ereduak egitean.
Azterketa honen helburua, ps pultsuen bidez, altzairu herdoilgaitzaren DLIP prozesatzean substratuaren tenperaturak sortzen duen gainazaleko topografian duen eragina ebaluatzea izan da.Laser prozesatzean, laginaren substratuaren tenperatura 250 \(^\circ\)C-ra igo zen berogailu plaka baten bidez.Ondorioz, gainazaleko egiturak mikroskopia konfokala, ekorketa-mikroskopia elektronikoa eta energia-sakabanaketa X izpien espektroskopia erabiliz ezaugarritu ziren.
Lehenengo esperimentu-sailean, altzairuzko substratua 4,5 µm-ko periodo espaziala eta \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ) 21 \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ) DLIP konfigurazio biko DLIP konfigurazioa erabiliz prozesatu zen. }\)C, aurrerantzean “berotu gabeko” gainazala deritzona.Kasu honetan, pultsuen gainjartzea \(o_{\mathrm {p}}\) bi pultsuren arteko distantzia da lekuaren tamainaren arabera.%99,0tik (100 pultsu posizio bakoitzeko) %99,67ra (300 pultsu posizio bakoitzeko) aldatzen da.Kasu guztietan, energia-dentsitate gailurra \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (interferentziarik gabeko gaussiar baliokide baterako) eta f = 200 kHz errepikapen maiztasuna erabili dira.Laser izpiaren polarizazioaren norabidea kokapen-taularen mugimenduarekiko paraleloa da (1a. irudia)), hau da, bi izpien interferentzia-ereduak sortutako geometria linealaren norabidearekiko paraleloa.Ekorketa-mikroskopio elektronikoa (SEM) erabiliz lortutako egituren irudi adierazgarriak irudietan ageri dira.1a–c.SEM irudien analisia topografiari dagokionez, Fourier transformazioak (FFT, txertaketa ilunetan ageri diren) egin ziren ebaluatzen ari diren egituretan.Kasu guztietan, ondoriozko DLIP geometria ikusgai zegoen 4,5 µm-ko periodo espazialarekin.
\(o_{\mathrm {p}}\) kasurako = % 99,0 irudiko eremu ilunean.1a, interferentzia maximoaren posizioari dagokiona, egitura paralelo txikiagoak dituzten zirrikituak ikus daitezke.Nanopartikula antzeko topografia batean estalitako banda distiratsuekin txandakatzen dira.Zirrikituen arteko egitura paraleloa laser izpiaren polarizazioarekiko perpendikularra dela eta \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm-ko periodoa duelako, apur bat. laserren \(\lambda\) (532 nm) uhin-luzera baino txikiagoa dei daiteke maiztasun espazial baxuko LIPSS (LSFL-I)15,18.LSFL-I-k s motako seinalea sortzen du FFTn, "s" sakabanaketa15,20.Beraz, seinalea erdiko elementu bertikal indartsuarekiko perpendikularra da, DLIP egiturak sortzen duena (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).FFT irudian DLIP ereduaren egitura linealak sortzen duen seinaleari "DLIP mota" esaten zaio.
DLIP erabiliz sortutako gainazaleko egituren SEM irudiak.Energia-dentsitate gailurra \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) da (zaratarik gabeko gaussiar baliokide baterako) eta errepikapen-tasa f = 200 kHz.Irudiek laginaren tenperatura, polarizazioa eta gainjartzea erakusten dute.Lokalizazio fasearen mugimendua gezi beltz batekin markatzen da (a).Txertatu beltzak 37,25\(\times\)37,25 µm SEM iruditik lortutako FFT erakusten du (uhin-bektorea \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 bihurtu arte. nm).Irudi bakoitzean prozesuaren parametroak adierazten dira.
1. Irudian gehiago begiratuz, ikus dezakezu \(o_{\mathrm {p}}\) gainjartzea handitzen den heinean, sigmoidearen seinalea FFTren x ardatzera gehiago kontzentratzen dela.LSFL-I gainerakoak paraleloagoak izan ohi dira.Gainera, s motako seinalearen intentsitate erlatiboa gutxitu egin zen eta DLIP motako seinalearen intentsitatea handitu zen.Gainjartze gehiago duten lubaki gero eta nabarmenagoak direla eta.Era berean, s motaren eta zentroaren arteko x ardatzaren seinalea LSFL-I-ren orientazio bera duen baina periodo luzeagoa duen egitura batetik etorri behar da (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1,4 ± 0,2 µm) 1c irudian erakusten den moduan.Hori dela eta, haien eraketa lubakiaren erdiko hobi eredu bat dela suposatzen da.Ezaugarri berria ordenatuaren maiztasun handiko tartean (uhin-zenbaki handia) ere agertzen da.Seinalea lubakiaren maldetako uhin paraleloetatik dator, ziurrenik aldapetan gorabeheraren eta aurrera islatutako argiaren interferentziaren ondorioz9,14.Jarraian, uhin horiek LSFL \ (_ \ mathrm {ertza} \) eta haien seinaleak -s \ (_ {\mathrm {p)) \] motaren bidez adierazten dira.
Hurrengo esperimentuan, laginaren tenperatura 250 °C-ra igo zen gainazal "berotua" deritzonaren azpian.Egituraketa aurreko atalean aipatutako esperimentuen prozesatzeko estrategia beraren arabera egin zen (1a-1c. irudiak).SEM irudiek ondoriozko topografia irudikatzen dute 1d-f irudian erakusten den moduan.Lagina 250 C-ra berotzeak LSFL-ren itxura areagotzea dakar, zeinaren norabidea laser polarizazioaren paraleloa baita.Egitura hauek LSFL-II gisa karakteriza daitezke eta \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) 247 ± 35 nm-ko periodo espaziala dute.LSFL-II seinalea ez da FFTn bistaratzen modu altuko maiztasuna dela eta.\(o_{\mathrm {p}}\) 99,0tik 99,67ra\(\%\) igo ahala (1d-e irudia), banda distiratsuaren eskualdearen zabalera handitu zen, eta horrek DLIP seinalea agertzea ekarri zuen. maiztasun altuak baino gehiagorako.uhin-zenbakiak (maiztasun baxuagoak) eta, horrela, FFTren erdigunerantz mugitzen dira.1d irudiko hobi-lerroak LSFL-I22,27-ren perpendikularki eratutako zirrikitu deritzonen aitzindariak izan daitezke.Horrez gain, badirudi LSFL-II laburragoa eta itxura irregularra bihurtu dela.Kontuan izan, gainera, nanogran morfologia duten banda distiratsuen batez besteko tamaina txikiagoa dela kasu honetan.Gainera, nanopartikula horien tamaina-banaketa gutxiago sakabanatuta zegoen (edo partikulen aglomerazio gutxiago ekarri zuen) berotu gabe baino.Kualitatiboki, 1a, d edo b, e irudiak alderatuz baloratu daiteke.
Gainjartzea \(o_{\mathrm {p}}\) gehiago handitu zen heinean, %99,67raino (1f. irudia), pixkanaka topografia desberdin bat sortu zen, gero eta nabarmenagoak diren ildoen ondorioz.Hala ere, zirrikitu hauek 1c irudian baino ordenatu eta sakonago agertzen dira.Irudiaren eremu argien eta ilunen arteko kontraste txikia kalitatean agertzen da.Emaitza hauek 1f irudiko FFT ordenatuaren seinale ahulago eta sakabanatuagoaren bidez onartzen dira c-ko FFTarekin alderatuta.Berotzean stria txikiagoak ere nabari ziren 1b eta e irudiak alderatzean, gero mikroskopio konfokalaren bidez baieztatu zena.
Aurreko esperimentuaz gain, laser izpiaren polarizazioa 90 \(^{\circ}\) biratu zen, eta horrek polarizazio-noranzkoa kokapen-plataformaren perpendikularra mugitzea eragin zuen.irudian.2a-c egituraren eraketaren hasierako faseak erakusten ditu, \(o_{\mathrm {p}}\) = % 99,0 berotu gabeko (a), berotu (b) eta berotutako 90\(^{\ circ }\ ) - Kasua polarizazio birakaria duena (c).Egituren nanotopografia ikusteko, koloretako karratuekin markatutako eremuak ageri dira.2d, eskala handituan.
DLIP erabiliz sortutako gainazaleko egituren SEM irudiak.Prozesuaren parametroak 1. irudiko berdinak dira.Irudiak laginaren tenperatura \(T_s\), polarizazioa eta pultsuen gainjartzea \(o_\mathrm {p}\) erakusten ditu.Txertatu beltzak berriz ere dagokion Fourier transformatua erakusten du.(d)-(i)-ko irudiak (a)-(c) ataletan markatutako eremuen handitzeak dira.
Kasu honetan, ikus daiteke 2b,c irudiko eremu ilunetako egiturak polarizazio sentikorrak direla eta, beraz, LSFL-II14, 20, 29, 30 etiketatuta daudela. 2g, i irudia), dagokion FFTn s motako seinalearen orientaziotik ikus daitekeena.LSFL-I aldiaren banda-zabalera handiagoa ageri da b aldiarekin alderatuta, eta bere tartea aldi txikiagoetara desplazatzen da 2c irudian, s motako seinale hedatuagoaren arabera.Beraz, honako LSFL periodo espaziala beha daiteke laginaren gainean berokuntza-tenperatura ezberdinetan: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm 21 ^{ \circ. }\ )C (2a. irudia), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm eta \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm 250 °C-tan (2b. irudia) s polarizaziorako.Aitzitik, p-polarizazioaren eta 250 \(^{\circ }\)C periodo espaziala \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\) berdina da. ) nm eta \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (2c. irudia).
Nabarmentzeko, emaitzek erakusten dute laginaren tenperatura handituz gainazaleko morfologia bi muturren artean alda daitekeela, besteak beste (i) LSFL-I elementuak soilik dituen gainazala eta (ii) LSFL-IIz estalitako eremu bat.LIPSS mota jakin hau gainazal metalikoen eraketa gainazaleko oxido geruzekin lotzen denez, X izpien energia barreiatzeko analisia (EDX) egin zen.1. taulan jasotako emaitzak laburbiltzen dira.Determinazio bakoitza prozesatutako laginaren gainazaleko leku ezberdinetan gutxienez lau espektro batez bestekoa eginez egiten da.Neurketak \(T_\mathrm{s}\) lagin-tenperatura ezberdinetan eta egiturarik gabeko eremuak dituen laginaren gainazaleko posizio ezberdinetan egiten dira.Neurketek tratatutako eremu urtuaren azpian dauden oxidatu gabeko geruza sakonagoei buruzko informazioa ere jasotzen dute, baina EDX analisiaren elektroien sartze-sakoneraren barruan.Hala eta guztiz ere, kontuan izan behar da EDX oxigeno-edukia kuantifikatzeko gaitasunean mugatua dela, beraz, balio hauek hemen balioespen kualitatiboa baino ezin dute eman.
Tratatu gabeko laginen zatiek ez zuten oxigeno kantitate handirik erakutsi funtzionamendu-tenperatura guztietan.Laser tratamenduaren ondoren, oxigeno-mailak gora egin zuen kasu guztietan31.Tratatu gabeko bi laginen oinarrizko konposizioaren aldea espero zena zen altzairu komertzialeko laginetarako, eta karbono-balio nabarmen handiagoak aurkitu ziren AISI 304 altzairuaren fabrikatzailearen datu-orriarekin alderatuta, hidrokarburoen kutsaduragatik32.
Groove ablazioaren sakonera gutxitzearen eta LSFL-I-tik LSFL-IIra igarotzearen arrazoi posibleak eztabaidatu aurretik, potentzia-dentsitate espektrala (PSD) eta altuera-profilak erabiltzen dira.
(i) Gainazaleko potentzia normalizatuaren dentsitate espektral ia bi dimentsioko (Q2D-PSD) SEM irudi gisa erakusten da 1 eta 2. 1 eta 2. Irudietan. PSD normalizatuta dagoenez, batura seinalearen jaitsiera izan beharko litzateke. zati konstantearen gehikuntza gisa ulertuta (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), ez da erakusten), hau da, leuntasuna.(ii) Dagokion azaleraren batez besteko altueraren profila.Laginaren tenperatura \(T_s\), gainjartzea \(o_{\mathrm {p}}\) eta laser polarizazioa E kokapen-plataformaren mugimenduaren orientazioarekiko \(\vec {v}\) grafiko guztietan agertzen dira.
SEM irudien inpresioa kuantifikatzeko, batez besteko potentzia-espektro normalizatu bat sortu zen gutxienez hiru SEM irudietatik parametro-multzo bakoitzeko, x edo y norabidean dimentsio bakarreko (1D) potentzia-dentsitate espektral guztiak (PSD) batez bestekoa eginez.Dagokion grafikoa 3i irudian ageri da seinalearen maiztasun-aldaketa eta espektroari egiten dion ekarpen erlatiboa erakutsiz.
irudian.3ia, c, e, DLIP gailurra \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ (^{-) gertu hazten da 1}\) edo dagozkion harmoniko altuagoak gainjartzea handitzen den heinean \(o_{\mathrm {p))\).Oinarrizko anplitudearen igoera LRIB egituraren garapen indartsuagoarekin lotu zen.Harmoniko altuen anplitudea handitzen da maldaren aldaparekin.Funtzio angeluzuzenetarako kasu mugatzaile gisa, hurbilketak maiztasun kopuru handiena eskatzen du.Beraz, PSDn 1,4 µm\(^{-1}\) inguruko gailurra eta dagozkion harmonikoak zirrikituaren formarako kalitate-parametro gisa erabil daitezke.
Aitzitik, 3(i)b,d,f irudian ikusten den bezala, berotutako laginaren PSD-ak gailur ahulagoak eta zabalagoak erakusten ditu dagozkien harmonikoetan seinale gutxiagorekin.Horrez gain, irud.3(i)f-k erakusten du bigarren seinale harmonikoak oinarrizko seinalea ere gainditzen duela.Honek berotutako laginaren DLIP egitura irregularragoa eta ez hain nabarmenagoa islatzen du (\(T_s\) = 21\(^\circ\)C-rekin alderatuta).Beste ezaugarri bat da gainjartzea \(o_{\mathrm {p}}\) handitzen den heinean, ondoriozko LSFL-I seinalea uhin-zenbaki txikiago batera (periodo luzeagoa) desplazatzen dela.Hau DLIP moduaren ertzen aldapa handitu izana eta intzidentzia-angeluaren igoera lokalarekin loturiko 14,33 azal daiteke.Joera horri jarraituz, LSFL-I seinalearen hedapena ere azaldu liteke.Aldapa handiez gain, DLIP egituraren behealdean eta gailurren gainean eremu lauak ere badaude, LSFL-I aldi sorta zabalagoa ahalbidetuz.Material xurgatzaile osoetarako, LSFL-I aldia normalean honela kalkulatu da:
non \(\theta\) intzidentzia-angelua den, eta s eta p azpiindizeek polarizazio ezberdinei dagozkie33.
Kontuan izan behar da DLIP konfigurazio baten intzidentzia-planoa kokapen-plataformaren mugimenduarekiko perpendikularra izan ohi dela, 4. Irudian ikusten den moduan (ikus Materialak eta Metodoak atala).Beraz, s-polarizazioa, oro har, etaparen mugimenduarekiko paraleloa da eta p-polarizazioa harekin perpendikularra da.Ekuazioaren arabera.(1), s-polarizaziorako, LSFL-I seinalearen hedapena eta uhin-zenbaki txikiagoetara aldatzea espero da.Hau \(\theta\) eta \(\theta \pm \delta \theta\) areagotzearen ondorioz gertatzen da, lubakiaren sakonera handitzean.Hau 3ia,c,e irudiko LSFL-I gailurrak alderatuz ikus daiteke.
irudian agertzen diren emaitzen arabera.1c, LSFL\(_\mathrm {ertza}\) ere ikusgai dago dagokion PSD irudian.3ie.irudian.3ig,h p-polarizaziorako PSD erakusten du.DLIP gailurren aldea nabarmenagoa da berotutako eta berotu gabeko laginen artean.Kasu honetan, LSFL-I-ren seinalea DLIP gailurraren harmoniko altuagoekin gainjartzen da, lasing uhin-luzeratik gertu dagoen seinaleari gehituz.
Emaitzak zehatzago eztabaidatzeko, 3ii. irudian DLIP altuera linealaren banaketaren pultsuen arteko egitura-sakonera eta gainjartzea erakusten da hainbat tenperaturatan.Gainazalaren altuera bertikala profila DLIP egituraren erdian zehar altuera bertikaleko hamar profil indibidual batez bestekoa eginez lortu da.Aplikatzen den tenperatura bakoitzerako, egituraren sakonera handitzen da pultsuen gainjartzearekin batera.Berotutako laginaren profilak 0,87 µm s-polarizaziorako eta 1,06 µm p-polarizaziorako gailurtik (pvp) batez besteko balioak dituzten zirrikituak erakusten ditu.Aitzitik, berotu gabeko laginaren s-polarizazioak eta p-polarizazioak 1,75 µm eta 2,33 µm-ko pvp-a erakusten dute, hurrenez hurren.Dagokion pvp altueraren profilean irudikatzen da.3ii.PvP batez besteko bakoitza zortzi PvP bakarren batez bestekoa eginez kalkulatzen da.
Horrez gain, irud.3iig,h-k p-polarizazio-altueraren banaketa erakusten du kokapen-sistemaren eta zirrikituaren mugimenduaren perpendikularra.p-polarizazioaren norabideak eragin positiboa du zirrikituaren sakoneran, 2,33 µm-ko pvp apur bat handiagoa eragiten baitu 1,75 µm-ko s-polarizazioaren aldean.Hau, aldi berean, kokapen-plataforma sistemaren zirrikituei eta mugimenduari dagokio.Efektu hau s-polarizazioaren kasuan egitura txikiagoak eragin dezake p-polarizazioaren kasuan (ikus 2f,h. irudiak), hurrengo atalean gehiago eztabaidatuko dena.
Eztabaidaren helburua ezpainen klase nagusiaren (LSFL-I-tik LSFL-II-ra) aldaketaren ondorioz ilka-sakoneraren jaitsiera azaltzea da berotutako laginen kasuan.Beraz, erantzun galdera hauei:
Lehenengo galderari erantzuteko, ablazioaren murrizketaren ardura duten mekanismoak kontuan hartu behar dira.Intzidentzia normalean pultsu bakarrerako, ablazioaren sakonera honela deskriba daiteke:
non \(\delta _{\mathrm {E}}\) energiaren sartze-sakonera den, \(\Phi\) eta \(\Phi _{\mathrm {th}}\) xurgapen-fluentzia eta Ablazio-fluentzia dira. atalasea, hurrenez hurren34 .
Matematikoki, energia barneratzeko sakonerak eragin biderkatzailea du ablazioaren sakoneran, eta energiaren aldaketak efektu logaritmikoa du.Beraz, fluentzia aldaketek ez dute \(\Delta z\) \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\ bezainbeste eragiten).Hala ere, oxidazio indartsuak (adibidez, kromo oxidoaren eraketa dela eta) Cr-O35 lotura sendoagoak sortzen ditu Cr-Cr loturekin alderatuta, horrela ablazioaren atalasea handituz.Ondorioz, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) jada ez dago asetzen, eta horrek ablazioaren sakonera azkar murriztea dakar energia-fluxuaren dentsitatea gutxituz.Horrez gain, oxidazio-egoeraren eta LSFL-II-ren aldiaren arteko korrelazioa ezagutzen da, eta hori nanoegituran bertan izandako aldaketek eta gainazaleko gainazalaren propietate optikoek gainazaleko oxidazioak eragindako aldaketek azaltzen dute30,35.Beraz, xurgapen-fluentziaren gainazaleko banaketa zehatza \(\Phi\) egitura-periodoaren eta oxido-geruzaren lodieraren arteko elkarrekintzaren dinamika konplexuari zor zaio.Aldiaren arabera, nanoegiturak asko eragiten du xurgatutako energia-fluxuaren banaketan, eremuaren gorakada nabarmena dela eta, gainazaleko plasmoien kitzikapena, aparteko argi-transferentzia edo sakabanaketa17,19,20,21.Beraz, \(\Phi\) oso deshomogeneoa da gainazaletik gertu, eta \(\delta _ {E}\) ziurrenik jada ez da posible xurgapen koefiziente batekin \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) gainazaleko bolumen osorako.Oxido-filmaren lodiera hein handi batean solidotze-denboraren araberakoa denez [26], nomenklatura-efektua laginaren tenperaturaren araberakoa da.Material osagarrian S1 irudian agertzen diren mikrografi optikoek propietate optikoen aldaketak adierazten dituzte.
Efektu hauek, neurri batean, lubakiaren sakonera txikiagoa azaltzen dute 1d,e eta 2b,c eta 3(ii)b,d,f irudietako gainazaleko egituren kasuan.
LSFL-II erdieroaleetan, dielektrikoetan eta oxidaziorako joera duten materialetan eratzen dela ezagutzen da14,29,30,36,37.Azken kasu honetan, gainazaleko oxido-geruzaren lodiera bereziki garrantzitsua da30.Egindako EDX analisiak azalera egituratuaren gainazal oxidoen eraketa agerian utzi zuen.Beraz, berotu gabeko laginetarako, badirudi inguruneko oxigenoak gas-partikulen eraketa partziala eta gainazaleko oxidoak partzialki eratzen laguntzen duela.Bi fenomenoek ekarpen handia egiten diote prozesu honetan.Aitzitik, berotutako laginetarako, oxidazio-egoera ezberdinetako metal-oxidoak (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, etab.) 38 argi daude alde.Beharrezko oxido-geruzaz gain, uhin-luzera azpiko zimurtasunaren presentzia, batez ere maiztasun espazial handiko LIPSS (HSFL), beharrezkoa da uhin-luzera (d mota) intentsitate moduak osatzeko14,30.Azken LSFL-II intentsitate modua HSFL anplitudearen eta oxidoaren lodieraren funtzioa da.Modu honen arrazoia HSFL-k sakabanatutako argiaren eta materialean errefraktatutako eta gainazaleko material dielektrikoaren barruan hedatzen den argiaren eremu urruneko interferentzia da20,29,30.Material osagarrien ataleko S2 irudiko gainazaleko ereduaren ertzaren SEM irudiak aurrez dagoen HSFLren adierazgarri dira.Kanpoko eskualde honek intentsitate banaketaren periferia ahulean eragiten du, eta horrek HSFL sortzea ahalbidetzen du.Intentsitatearen banaketaren simetria dela eta, efektu hau eskaneatzeko noranzkoan ere gertatzen da.
Laginaren berotzeak hainbat modutan eragiten du LSFL-II eraketa prozesuan.Alde batetik, laginaren tenperatura \(T_\mathrm{s}\) igotzeak solidotze eta hozte abiaduran askoz ere eragin handiagoa du urtutako geruzaren lodierak baino26.Horrela, berotutako lagin baten interfaze likidoa inguruneko oxigenoaren eraginpean geratzen da denbora luzez.Gainera, solidotze atzeratuak altzairu likidoarekin oxigenoa eta oxidoak nahastea areagotzen duten prozesu konbektibo konplexuak garatzea ahalbidetzen du26.Hau difusioz soilik eratutako oxido-geruzaren lodiera alderatuz froga daiteke (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Dagokion koagulazio-denbora \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns da, eta difusio-koefizientea \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) LSFL-II eraketan lodiera dezente handiagoa ikusi edo eskatu zen30.Bestalde, berotzeak HSFLren sorreran ere eragiten du eta, hortaz, LSFL-II d motako intentsitate modura igarotzeko behar diren sakabanaketa-objektuetan.Gainazal azpian harrapatutako nanohutsuneen esposizioak HSFL39 eraketan duten parte-hartzea iradokitzen du.Akats hauek HSFL-ren jatorri elektromagnetikoa irudikatu dezakete maiztasun handiko aldizkako intentsitate ereduak direla eta14,17,19,29.Gainera, sortutako intentsitate-modu hauek uniformeagoak dira nanohuts kopuru handiarekin19.Beraz, HSFL-ren intzidentzia handitzearen arrazoia kristalen akatsen dinamikaren aldaketarekin azal daiteke, \(T_\mathrm{s}\) hazi ahala.
Duela gutxi frogatu da silizioaren hozte-abiadura funtsezko parametroa dela supersaturazio interstizial intrintsekorako eta, beraz, dislokazioen sorrerarekin puntu-akatsak pilatzeko40,41.Metal puruen dinamika molekularreko simulazioek erakutsi dute hutsuneak gainsaturatzen direla birkristalizazio azkarrean, eta, hortaz, metaletan hutsuneen metaketa modu berean gertatzen da42,43,44.Gainera, zilarrezko azken ikerketek puntu-akatsen metaketaren ondorioz hutsuneak eta multzoak eratzeko mekanismoan zentratu dira45.Hori dela eta, laginaren \(T_\mathrm {s}\) tenperatura igotzeak eta, ondorioz, hozte-abiaduraren jaitsierak hutsuneen sorreran eragin dezake, HSFL-ren nukleoak baitira.
Hutsuneak barrunbeen eta, beraz, HSFLren beharrezko aitzindariak badira, \(T_s\) laginaren tenperaturak bi ondorio izan beharko lituzke.Alde batetik, \(T_s\) birkristalizazio-abiaduran eta, ondorioz, puntu-akatsen kontzentrazioan (hutsik dagoen kontzentrazioa) kristal haziaren gainean eragiten du.Bestalde, solidotzearen ondoren hozte-abiadurari ere eragiten dio, eta, ondorioz, kristaleko akats puntualen difusioan eragiten du 40,41.Gainera, solidotze-abiadura orientazio kristalografikoaren araberakoa da eta, beraz, oso anisotropoa da, akats puntualen difusioa baita42,43.Premisa horren arabera, materialaren erantzun anisotropoaren ondorioz, argiaren eta materiaren elkarrekintza anisotropo bihurtzen da, eta horrek energiaren aldizkako askapen deterministiko hori areagotzen du.Material polikristalinoentzat, portaera hori ale bakar baten tamainagatik mugatu daiteke.Izan ere, LIPSS eraketa alearen orientazioaren arabera frogatu da46,47.Hori dela eta, laginaren tenperatura \(T_s\) kristalizazio-tasan duen eragina agian ez da alearen orientazioaren eragina bezain handia izan.Horrela, ale desberdinen orientazio kristalografiko desberdinak hutsuneen eta agregazioaren gehikuntzaren azalpen potentziala ematen du, hurrenez hurren, HSFL edo LSFL-II.
Hipotesi honen hasierako zantzuak argitzeko, lagin gordinak grabatu ziren azaleratik hurbil aleen eraketa agerian uzteko.Irudiko aleen konparaketa.S3 material osagarrian agertzen da.Gainera, LSFL-I eta LSFL-II taldeka agertu ziren berotutako laginetan.Multzo horien tamaina eta geometria alearen tamainari dagozkio.
Gainera, HSFL fluxu-dentsitate baxuetan tarte estuan bakarrik gertatzen da bere jatorri konbektiboa dela eta19,29,48.Hori dela eta, esperimentuetan, seguruenik hau habe-profilaren periferian bakarrik gertatzen da.Hori dela eta, oxidatu gabeko edo ahuleko oxidatutako gainazaletan HSFL eratu zen, tratatutako eta tratatu gabeko laginen oxido-frakzioak alderatzean agerian geratu zena (ikus taula reftab: adibidea).Horrek baieztatzen du oxido-geruza batez ere laserrak eragindakoa dela.
LIPSS eraketa normalean pultsuen arteko feedbackaren ondorioz pultsu kopuruaren menpekoa dela kontuan hartuta, HSFLak egitura handiagoak ordezkatu daitezke pultsuen gainjartzea handitzen den heinean19.HSFL ez hain erregular batek LSFL-II eratzeko beharrezkoa den intentsitate eredua (d-modua) gutxiago erregularra dakar.Beraz, \(o_\mathrm {p}\)-ren gainjartzea handitzen den heinean (ikus de-tik 1. irudia), LSFL-II-ren erregulartasuna gutxitzen da.
Azterketa honek substratuaren tenperaturak laser bidezko egituratutako DLIP tratatutako altzairu herdoilgaitzaren gainazaleko morfologian duen eragina ikertu du.Substratua 21-250°C-tik 250°C-ra berotzeak ablazioaren sakonera 1,75-tik 0,87 µm-ra gutxitzea dakar s-polarizazioan eta 2,33-1,06 µm-tik p-polarizazioan.Jaitsiera hori LSFL-I-tik LSFL-IIra LIPSS motaren aldaketaren ondorioz gertatzen da, laginaren tenperatura altuagoan laser bidez eragindako gainazaleko oxido-geruza batekin lotzen dena.Gainera, LSFL-II-k atalase-fluxua areagotu dezake oxidazioa areagotu delako.Suposatzen da pultsu gainjartze handiko sistema teknologiko honetan, batez besteko energia-dentsitatea eta batez besteko errepikapen-tasa, LSFL-II agerraldia laginaren berotzeak eragindako dislokazio-dinamikaren aldaketak ere zehazten duela.LSFL-II-ren agregazioa alearen orientazioaren menpeko nanohutsunearen eraketa dela eta, HSFL-ren aitzindari gisa LSFL-II-ren ondoriozkoa da.Horrez gain, polarizazioaren noranzkoak egitura-periodan duen eragina eta egitura-aldiaren banda-zabalerak aztertzen dira.Ikusten da p-polarizazioa eraginkorragoa dela DLIP prozesurako ablazioaren sakonerari dagokionez.Orokorrean, ikerketa honek prozesu-parametro multzo bat aurkitzen du DLIP ablazioaren sakonera kontrolatzeko eta optimizatzeko gainazal eredu pertsonalizatuak sortzeko.Azkenik, LSFL-I-tik LSFL-IIrako trantsizioa beroaren eraginpean dago guztiz eta errepikapen-tasa handitzea espero da pultsu etengabeko gainjartzearekin, bero-pilaketa areagotzearen ondorioz24.Alderdi horiek guztiak garrantzitsuak dira DLIP prozesua zabaltzeko hurrengo erronkarako, adibidez, eskaneaketa poligonaleko sistemak erabiliz49.Bero pilaketa minimizatzeko, estrategia hau jarraitu daiteke: eskaner poligonalaren eskaner-abiadura ahalik eta altuena mantendu, laser puntuaren tamaina handiagoa aprobetxatuz, eskaneatzeko norabidearekiko ortogonala, eta ablazio optimoa erabiliz.fluentzia 28. Gainera, ideia hauek DLIP erabiliz gainazaleko funtzionalizazio aurreraturako topografia hierarkikoa konplexua sortzea ahalbidetzen dute.
Ikerketa honetan, 0,8 mm-ko lodiera duten altzairu herdoilgaitzezko plaka elektroleunduak (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) erabili ziren.Gainazaletik kutsatzaileak kentzeko, laginak arretaz garbitu ziren etanolarekin laser bidez tratatu aurretik (etanol-kontzentrazio absolutua % 99,9).
DLIP ezarpena 4. Irudian ageri da. Laginak 12 ps-ko pultsu ultralaburreko laser-iturri batekin hornitutako DLIP sistema erabiliz eraiki ziren, 532 nm-ko uhin-luzera eta 50 MHz-ko gehienezko errepikapen-tasa duena.Izpiaren energiaren banaketa espaziala gaussiarra da.Bereziki diseinatutako optikak izpi bikoitzeko konfigurazio interferometrikoa eskaintzen du laginaren gainean egitura linealak sortzeko.100 mm-ko foku-luzera duen lente batek gainazalean bi laser izpi gehigarri gainjartzen ditu 6,8\(^\circ\) angelu finko batean, eta horrek 4,5 µm inguruko periodo espaziala ematen du.Konfigurazio esperimentalei buruzko informazio gehiago beste nonbait aurki daiteke50.
Laser prozesatu aurretik, lagina berogailu-plaka batean jartzen da tenperatura jakin batean.Berogailu-plakaren tenperatura 21 eta 250 °C-tan ezarri zen.Esperimentu guztietan, aire konprimituaren zeharkako zorrotada bat erabili zen ihes-gailu batekin konbinatuta, optikan hautsa ezartzeko.x,y etapa-sistema bat ezartzen da egituratzean lagina kokatzeko.
Kokapen-etapa sistemaren abiadura 66 eta 200 mm/s-ra aldatu zen, hurrenez hurren 99,0 eta 99,67 \(\%\) pultsuen arteko gainjartzea lortzeko.Kasu guztietan, errepikapen-tasa 200 kHz-etan finkatu zen, eta batez besteko potentzia 4 W-koa izan zen, eta horrek 20 μJ-ko pultsu bakoitzeko energia ematen zuen.DLIP esperimentuan erabilitako izpiaren diametroa 100 µm ingurukoa da, eta horren ondorioz laserren energia-dentsitatea 0,5 J/cm\(^{2}\) da.Azalera unitateko askatzen den energia osoa 50 J/cm\(^2\)-ri dagokion fluentzia metatua gailurra da \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm-rako \(^2\) \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) eta 150 J/cm\(^2\) \(o_{ \mathrm {p} }\) ) = 99,67 \(\%\).Erabili \(\lambda\)/2 plaka laser izpiaren polarizazioa aldatzeko.Erabilitako parametro-multzo bakoitzeko, gutxi gorabehera 35 × 5 mm\(^{2}\) eremu bat testuratzen da laginaren gainean.Egituratutako esperimentu guztiak ingurune-baldintzetan egin ziren, aplikazio industriala ziurtatzeko.
Laginen morfologia mikroskopio konfokal baten bidez aztertu da, 50x handitzea eta 170 nm eta 3 nm-ko bereizmen optikoa eta bertikala, hurrenez hurren.Ondoren, bildutako datu topografikoak gainazala aztertzeko softwarea erabiliz ebaluatu dira.Atera ezazu profilak lur-datuetatik ISO 1661051 arauaren arabera.
Era berean, laginak 6,0 kV-ko tentsio azeleratzailean ekorketa-mikroskopio elektronikoa erabiliz karakterizatu dira.Laginen gainazaleko konposizio kimikoa ebaluatu da energia-sakabanaketa X izpien espektroskopia (EDS) eranskin baten bidez, 15 kV-ko azelerazio-tentsioan.Horrez gain, 50x helburua duen mikroskopio optiko bat erabili da laginen mikroegituraren morfologia granularra zehazteko. Aurretik, laginak 50 \(^\circ\)C-ko tenperatura konstantean grabatu ziren bost minutuz altzairu herdoilgaitzezko orban batean azido klorhidrikoarekin eta azido nitrikoko 15-20 \(\%\) eta 1\() kontzentrazioarekin. -<\)5 \(\%\), hurrenez hurren. Aurretik, laginak 50 \(^\circ\)C-ko tenperatura konstantean grabatu ziren bost minutuz altzairu herdoilgaitzezko orban batean azido klorhidrikoarekin eta azido nitrikoko 15-20 \(\%\) eta 1\() kontzentrazioarekin. -<\)5 \(\%\), hurrenez hurren. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут весто минут векратуре стали соляной и азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) eta 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Aurretik, laginak 50 \(^\circ\)C-ko tenperatura konstantean grabatu ziren bost minutuz altzairu herdoilgaitzezko pinturan azido klorhidriko eta nitrikoekin 15-20 \(\%\) eta 1\( kontzentrazioarekin). -<\)5 \( \%\) hurrenez hurren.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，盐酸咦，盐酸咦%2\(2) 在此之前和1\( -<\)5 \ (\%\)，分别。在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C (\%\)，分别。Aurretik, laginak bost minutuz desugertatu ziren 50 \(^\circ\)C-ko tenperatura konstantean altzairu herdoilgaitzerako tindaketa-soluzio batean 15-20 \(\%\) eta 1 azido klorhidriko eta nitrikoen kontzentrazioarekin. \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) hurrenez hurren.
Bi izpiko DLIP konfigurazio baten konfigurazio esperimentalaren diagrama eskematikoa, (1) laser izpi bat, (2) \(\lambda\)/2 plaka bat, (3) konfigurazio optiko jakin batekin DLIP buru bat, (4). ) plaka bero bat, (5) fluido gurutzatua, (6) x,y kokapen urratsak eta (7) altzairu herdoilgaitzezko aleak.Gainjarritako bi habek, ezkerraldean gorriz inguratuta, egitura linealak sortzen dituzte laginaren gainean \(2\theta\) angeluetan (s- eta p-polarizazioa barne).
Oraingo ikerketan erabilitako eta/edo aztertutako datu-multzoak dagozkien egileengandik eskuragarri daude, arrazoizko eskaera eginda.
Argitalpenaren ordua: 2023-07-07