Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com.Sampeyan nggunakake versi browser kanthi dhukungan CSS winates.Kanggo pengalaman paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer).Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nuduhake situs kasebut tanpa gaya lan JavaScript.
Nampilake carousel telung slide bebarengan.Gunakake tombol Sadurungé lan Sabanjure kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan, utawa nggunakake tombol panggeser ing mburi kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan.
Interferensi laser langsung (DLIP) digabungake karo struktur permukaan periodik sing diakibatake laser (LIPSS) ngidini nggawe permukaan fungsional kanggo macem-macem bahan.Proses kasebut biasane tambah kanthi nggunakake daya laser rata-rata sing luwih dhuwur.Nanging, iki nyebabake akumulasi panas, sing nyebabake kekasaran lan bentuk pola permukaan sing diasilake.Mulane, perlu sinau kanthi rinci babagan pengaruh suhu substrat ing morfologi unsur sing digawe.Ing panliten iki, lumahing baja digawe pola garis kanthi ps-DLIP ing 532 nm.Kanggo neliti efek suhu substrat ing topografi sing diasilake, piring pemanas digunakake kanggo ngontrol suhu.Pemanasan nganti 250 \(^{\circ }\)С nyebabake nyuda ambane struktur sing dibentuk saka 2,33 dadi 1,06 µm.Penurunan kasebut digandhengake karo tampilan macem-macem jinis LIPSS gumantung saka orientasi butir substrat lan oksidasi permukaan sing diakibatake laser.Panaliten iki nuduhake efek sing kuat saka suhu substrat, sing uga dikarepake nalika perawatan permukaan ditindakake kanthi daya laser rata-rata sing dhuwur kanggo nggawe efek akumulasi panas.
Cara perawatan lumahing adhedhasar iradiasi laser pulsa ultrashort ana ing ngarep ilmu pengetahuan lan industri amarga kemampuane kanggo nambah sifat permukaan bahan sing paling penting1.Utamane, fungsi lumahing khusus sing diakibatake laser minangka canggih ing macem-macem sektor industri lan skenario aplikasi1,2,3.Contone, Vercillo et al.Sifat anti-icing wis dituduhake ing wesi titanium kanggo aplikasi aerospace adhedhasar superhydrophobicity sing diakibatake laser.Epperlein et al kacarita sing fitur nanosized diprodhuksi dening lumahing laser structuring bisa mengaruhi wutah biofilm utawa inhibisi ing spesimen baja5.Kajaba iku, Guai et al.uga ningkatake sifat optik sel surya organik.6 Mangkono, penataan laser ngidini produksi unsur struktural resolusi dhuwur kanthi kontrol ablasi saka material permukaan1.
Teknik penataan laser sing cocog kanggo ngasilake struktur permukaan periodik kasebut yaiku langsung laser interference shaping (DLIP).DLIP adhedhasar interferensi cedhak-permukaan saka loro utawa luwih sinar laser kanggo mbentuk permukaan pola kanthi karakteristik ing jarak mikrometer lan nanometer.Gumantung saka jumlah lan polarisasi sinar laser, DLIP bisa ngrancang lan nggawe macem-macem struktur permukaan topografi.Pendekatan sing janjeni yaiku nggabungake struktur DLIP karo struktur permukaan periodik sing diakibatake laser (LIPSS) kanggo nggawe topografi permukaan kanthi hirarki struktural sing kompleks8,9,10,11,12.Ing alam, hirarki kasebut wis ditampilake nyedhiyakake kinerja sing luwih apik tinimbang model skala siji13.
Fungsi LIPSS tundhuk marang proses nggedhekake dhewe (umpan balik positif) adhedhasar modulasi sing cedhak-lumahing saka distribusi intensitas radiasi.Iki amarga paningkatan nanoroughness amarga jumlah pulsa laser sing ditrapake mundhak 14, 15, 16. Modulasi dumadi utamane amarga gangguan gelombang sing dipancarake karo medan elektromagnetik15,17,18,19,20,21 saka refracted lan komponen gelombang kasebar utawa plasmon lumahing.Pembentukan LIPSS uga kena pengaruh wektu pulsa22,23.Utamane, kekuwatan laser rata-rata sing luwih dhuwur dibutuhake kanggo perawatan permukaan kanthi produktivitas dhuwur.Iki biasane mbutuhake panggunaan tingkat pengulangan sing dhuwur, yaiku ing kisaran MHz.Akibate, jarak wektu antarane pulses laser luwih cendhek, kang ndadékaké kanggo efek akumulasi panas 23, 24, 25, 26. Efek iki ndadékaké kanggo Tambah sakabèhé ing suhu lumahing, kang Ngartekno bisa mengaruhi mekanisme patterning sak ablation laser.
Ing karya sadurunge, Rudenko et al.lan Tzibidis et al.Mekanisme pambentukan struktur konvektif dibahas, sing kudu dadi penting amarga akumulasi panas mundhak19,27.Kajaba iku, Bauer et al.Hubungane jumlah kritis akumulasi panas karo struktur permukaan mikron.Senadyan proses pambentukan struktur sing diakibatake kanthi termal iki, umume percaya yen produktivitas proses kasebut bisa ditingkatake mung kanthi nambah tingkat pengulangan28.Senajan iki, ing siji, ora bisa digayuh tanpa Tambah pinunjul ing panyimpenan panas.Mulane, strategi proses sing nyedhiyakake topologi multilevel bisa uga ora bisa dipindhah menyang tingkat pengulangan sing luwih dhuwur tanpa ngganti kinetika proses lan pembentukan struktur9,12.Ing babagan iki, penting banget kanggo nyelidiki kepiye suhu substrat mengaruhi proses pembentukan DLIP, utamane nalika nggawe pola permukaan berlapis amarga pembentukan LIPSS sing simultan.
Tujuan saka panliten iki yaiku kanggo ngevaluasi pengaruh suhu substrat ing topografi permukaan sing diasilake sajrone pangolahan DLIP baja tahan karat nggunakake pulsa ps.Sajrone pangolahan laser, suhu substrat sampel digawa nganti 250 \(^\circ\)C nggunakake piring pemanas.Struktur permukaan sing diasilake ditondoi kanthi nggunakake mikroskop confocal, mikroskop elektron scanning, lan spektroskopi sinar-X dispersif energi.
Ing seri pisanan saka eksperimen, substrat baja diproses nggunakake konfigurasi DLIP loro-beam kanthi periode spasial 4,5 µm lan suhu substrate \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, salajengipun diarani minangka "ora panas" lumahing.Ing kasus iki, tumpang tindih pulsa \(o_{\mathrm {p}}\) yaiku jarak antarane rong pulsa minangka fungsi saka ukuran titik.Iki beda-beda saka 99,0% (100 pulsa saben posisi) nganti 99,67% (300 pulsa saben posisi).Ing kabeh kasus, kapadhetan energi puncak \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (kanggo padha Gaussian tanpa gangguan) lan frekuensi pengulangan f = 200 kHz digunakake.Arah polarisasi sinar laser sejajar karo gerakan meja posisi (Fig. 1a)), sing sejajar karo arah geometri linear sing digawe dening pola interferensi rong sinar.Gambar perwakilan saka struktur sing dipikolehi nggunakake mikroskop elektron scanning (SEM) ditampilake ing Fig.1a–c.Kanggo ndhukung analisis gambar SEM ing babagan topografi, transformasi Fourier (FFTs, ditampilake ing inset peteng) ditindakake ing struktur sing dievaluasi.Ing kabeh kasus, geometri DLIP sing diasilake katon kanthi periode spasial 4,5 µm.
Kanggo kasus \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% ing area sing luwih peteng ing Gambar.1a, cocog kanggo posisi maksimum gangguan, siji bisa mirsani grooves ngemot struktur podo cilik.Padha sulih karo pita padhang ditutupi ing topografi nanopartikel-kaya.Amarga struktur paralel antarane grooves katon jejeg polarisasi sinar laser lan nduweni periode \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, rada kurang saka dawa gelombang laser \ (\ lambda \) (532 nm) bisa disebut LIPSS karo frekuensi spasial kurang (LSFL-I) 15,18.LSFL-I mrodhuksi supaya disebut-s-jinis sinyal ing FFT, "s" scattering15,20.Mula, sinyal kasebut jejeg karo unsur vertikal tengah sing kuwat, sing banjur diasilake dening struktur DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).Sinyal kui dening struktur linear saka pola DLIP ing gambar FFT diarani minangka "DLIP-jinis".
Gambar SEM saka struktur lumahing digawe nggunakake DLIP.Kapadhetan energi puncak yaiku \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (kanggo setara Gaussian tanpa gangguan) lan tingkat pengulangan f = 200 kHz.Gambar nuduhake suhu sampel, polarisasi lan overlay.Gerakan fase lokalisasi ditandhani karo panah ireng ing (a).Inset ireng nuduhake FFT sing cocog sing dipikolehi saka gambar SEM 37,25\(\times\)37,25 µm (dituduhake nganti wavevector dadi \(\vec {k}\cdot (2\pi)^ {-1}\) = 200 nm).Parameter proses dituduhake ing saben gambar.
Nggoleki luwih menyang Figure 1, sampeyan bisa ndeleng manawa tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\) mundhak, sinyal sigmoid luwih konsentrasi menyang sumbu-x FFT.Liyane saka LSFL-I cenderung luwih podo.Kajaba iku, intensitas relatif saka sinyal s-jinis suda lan kakiyatan saka sinyal DLIP-jinis tambah.Iki amarga trenches tambah akeh sing tumpang tindih.Uga, sinyal sumbu-x antarane jinis s lan tengah kudu teka saka struktur kanthi orientasi sing padha karo LSFL-I nanging kanthi wektu sing luwih suwe (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1,4 ± 0,2 µm) kaya sing dituduhake ing Gambar 1c).Mulane, dianggep yen tatanan kasebut minangka pola pit ing tengah trench.Fitur anyar uga katon ing sawetara frekuensi dhuwur (wavenumber gedhe) saka ordinate.Sinyal kasebut asale saka riak-riak paralel ing lereng parit, sing paling mungkin amarga gangguan kedadeyan lan cahya sing dipantulake maju ing lereng9,14.Ing ngisor iki, ripples iki dilambangake dening LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \), lan sinyal - miturut jinis -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Ing eksperimen sabanjure, suhu sampel digawa nganti 250 ° C ing permukaan sing disebut "dipanaskan".Structuring ditindakake miturut strategi pangolahan sing padha karo eksperimen sing kasebut ing bagean sadurunge (Gambar 1a-1c).Gambar SEM nggambarake topografi asil kaya ing Fig. 1d–f.Pemanasan sampel nganti 250 C ndadékaké paningkatan tampilan LSFL, arah sing sejajar karo polarisasi laser.Struktur kasebut bisa diarani LSFL-II lan nduweni periode spasial \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) 247 ± 35 nm.Sinyal LSFL-II ora ditampilake ing FFT amarga frekuensi mode dhuwur.Nalika \(o_{\ mathrm {p}}\) tambah saka 99,0 dadi 99,67 \(\%\) (Gambar 1d–e), jembaré wilayah pita padhang mundhak, sing ndadékaké munculé sinyal DLIP. kanggo luwih saka frekuensi dhuwur.wavenumbers (frekuensi ngisor) lan kanthi mangkono pindhah menyang tengah FFT.Larik saka jugangan ing Fig. 1d bisa dadi prekursor saka supaya disebut-grooves kawangun jejeg LSFL-I22,27.Kajaba iku, LSFL-II katon luwih cendhek lan bentuke ora teratur.Elinga uga ukuran rata-rata pita padhang kanthi morfologi nanograin luwih cilik ing kasus iki.Kajaba iku, distribusi ukuran nanopartikel kasebut dadi luwih sithik (utawa nyebabake aglomerasi partikel luwih sithik) tinimbang tanpa pemanasan.Secara kualitatif, iki bisa ditaksir kanthi mbandhingake angka 1a, d utawa b, e.
Nalika tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\) tambah akeh dadi 99,67% (Gambar 1f), topografi sing béda-béda mboko sithik muncul amarga alur sing saya jelas.Nanging, grooves iki katon kurang dhawuh lan kurang jero saka Fig.. 1c.Kontras sing sithik antarane area cahya lan peteng ing gambar katon ing kualitas.Asil kasebut luwih didhukung dening sinyal sing luwih lemah lan luwih kasebar saka ordinat FFT ing Fig. 1f dibandhingake karo FFT ing c.Striae sing luwih cilik uga katon ing pemanasan nalika mbandhingake Gambar 1b lan e, sing banjur dikonfirmasi kanthi mikroskop confocal.
Saliyane eksperimen sadurunge, polarisasi sinar laser diputar kanthi 90 \(^{\circ}\), sing nyebabake arah polarisasi pindhah tegak karo platform posisi.Ing anjir.2a-c nuduhake tahap awal pambentukan struktur, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% ing unheated (a), digawe panas (b) lan digawe panas 90\(^{\ circ }\ ) – Case kanthi polarisasi puteran (c).Kanggo nggambarake nanotopografi struktur kasebut, wilayah sing ditandhani karo kothak warna ditampilake ing Fig.2d, ing skala nggedhekake.
Gambar SEM saka struktur lumahing digawe nggunakake DLIP.Paramèter proses padha karo ing Fig.1.Gambar nuduhake suhu sampel \(T_s\), polarisasi lan tumpang tindih pulsa \(o_\mathrm {p}\).Inset ireng maneh nuduhake transformasi Fourier sing cocog.Gambar ing (d)-(i) minangka perbesaran area sing ditandhani ing (a)-(c).
Ing kasus iki, bisa dideleng manawa struktur ing wilayah sing luwih peteng ing Gambar 2b,c sensitif polarisasi lan mulane diwenehi label LSFL-II14, 20, 29, 30. Utamane, orientasi LSFL-I uga diputer ( Fig. 2g, i), sing bisa dideleng saka orientasi sinyal s-jinis ing FFT sing cocog.Bandwidth saka periode LSFL-I katon luwih gedhe dibandhingake periode b, lan sawetara wis pindah menyang suwé cilik ing Fig. 2c, minangka dituduhake dening sinyal s-jinis luwih nyebar.Dadi, periode spasial LSFL ing ngisor iki bisa diamati ing sampel ing suhu pemanasan sing beda: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm ing 21 ^{ \circ }\ )C (Gambar 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm lan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm ing 250 ° C (Fig. 2b) kanggo s polarisasi.Kosok baline, periode spasial p-polarisasi lan 250 \(^{\circ }\)C padha karo \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm lan \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Gambar 2c).
Notabene, asil nuduhake yen mung nambah suhu sampel, morfologi lumahing bisa ngalih ing antarane rong ekstrem, kalebu (i) lumahing mung ngemot unsur LSFL-I lan (ii) wilayah dijamin karo LSFL-II.Amarga pambentukan jinis LIPSS tartamtu iki ing permukaan logam digandhengake karo lapisan oksida permukaan, analisis sinar-X dispersif energi (EDX) ditindakake.Tabel 1 ngringkes asil sing dipikolehi.Saben tekad ditindakake kanthi rata-rata paling ora papat spektrum ing macem-macem papan ing permukaan sampel sing diproses.Pangukuran ditindakake ing suhu sampel sing beda \(T_\mathrm{s}\) lan posisi permukaan sampel sing beda-beda sing ngemot wilayah sing ora terstruktur utawa terstruktur.Pangukuran uga ngemot informasi babagan lapisan unoxidized sing luwih jero sing dumunung langsung ing sangisore area cair sing diolah, nanging ing jero penetrasi elektron saka analisis EDX.Nanging, kudu dicathet yen EDX diwatesi ing kemampuan kanggo ngitung isi oksigen, mula nilai kasebut mung bisa menehi penilaian kualitatif.
Bagian sampel sing ora diobati ora nuduhake jumlah oksigen sing signifikan ing kabeh suhu operasi.Sawise perawatan laser, tingkat oksigen mundhak ing kabeh kasus31.Bentenipun komposisi unsur ing antarane rong conto sing ora diolah kaya sing dikarepake kanggo conto baja komersial, lan nilai karbon sing luwih dhuwur ditemokake dibandhingake karo lembar data pabrikan kanggo baja AISI 304 amarga kontaminasi hidrokarbon32.
Sadurunge ngrembug bisa alasan kanggo nyuda ing ambane ablation alur lan transisi saka LSFL-aku kanggo LSFL-II, Kapadhetan spektral daya (PSD) lan profil dhuwur digunakake.
(i) Kapadhetan spektral daya normalisasi kuasi-loro-dimensi (Q2D-PSD) saka permukaan ditampilake minangka gambar SEM ing Gambar 1 lan 2. 1 lan 2. Wiwit PSD dinormalisasi, pangurang sinyal jumlah kudu dimangerteni minangka paningkatan ing bagean pancet (k \ (\ le \) 0,7 µm \ (^{-1} \), ora ditampilake), yaiku lancar.(ii) Profil dhuwur permukaan rata-rata sing cocog.Suhu sampel \ (T_s \), tumpang tindih \ (o_ {\ mathrm {p}} \), lan polarisasi laser E relatif marang orientasi \ (\ vec {v} \) saka gerakan platform posisi ditampilake ing kabeh plot.
Kanggo ngitung kesan gambar SEM, spektrum daya normalisasi rata-rata digawe saka paling ora telung gambar SEM kanggo saben parameter sing disetel kanthi rata-rata kabeh kepadatan spektral daya siji-dimensi (1D) (PSD) ing arah x utawa y.Grafik sing cocog ditampilake ing Fig. 3i nuduhake owah-owahan frekuensi sinyal lan kontribusi relatif kanggo spektrum.
Ing anjir.3ia, c, e, puncak DLIP tuwuh cedhak \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ ( ^{- 1}\) utawa harmonik sing cocog nalika tumpang tindih mundhak \(o_{\mathrm {p))\).Tambah ing amplitudo dhasar digandhengake karo pangembangan struktur LRIB sing luwih kuat.Amplitudo harmonik sing luwih dhuwur mundhak kanthi ketajaman slope.Kanggo fungsi persegi dowo minangka watesan kasus, kira-kira mbutuhake nomer paling gedhe saka frekuensi.Mulane, puncak watara 1,4 µm \ (^ {-1} \) ing PSD lan harmonics cocog bisa digunakake minangka paramèter kualitas kanggo wangun alur.
Kosok baline, kaya sing dituduhake ing Fig. 3 (i) b, d, f, PSD saka sampel digawe panas nuduhake puncak sing luwih lemah lan luwih jembar kanthi sinyal sing kurang ing harmonik masing-masing.Kajaba iku, ing anjir.3(i)f nuduhake yen sinyal harmonik kapindho malah ngluwihi sinyal dhasar.Iki nggambarake struktur DLIP sing luwih ora teratur lan kurang pocapan saka sampel sing digawe panas (dibandhingake karo \ (T_s \) = 21 \ (^ \ circ \) C).Fitur liyane yaiku nalika tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\) mundhak, sinyal LSFL-I sing diasilake pindhah menyang nomer gelombang sing luwih cilik (periode luwih suwe).Iki bisa diterangake dening tambah steepness saka sudhut mode DLIP lan nambah lokal gadhah amba saka incidence14,33.Sawise tren iki, nyebarake sinyal LSFL-I uga bisa diterangake.Saliyane lereng sing curam, ana uga wilayah sing rata ing sisih ngisor lan ndhuwur puncak struktur DLIP, ngidini periode LSFL-I sing luwih akeh.Kanggo bahan sing nyerep banget, periode LSFL-I biasane dianggep minangka:
ing ngendi \(\theta\) minangka sudut kedadeyan, lan subskrip s lan p nuduhake polarisasi sing beda33.
Sampeyan kudu nyatet sing bidang saka kedadean kanggo persiyapan DLIP biasane jejeg kanggo gerakan saka platform posisi, minangka ditampilake ing Figure 4 (ndeleng bagean Materials lan Metode).Mulane, s-polarisasi, minangka aturan, sejajar karo gerakan panggung, lan p-polarisasi jejeg.Miturut persamaan.(1), kanggo s-polarisasi, panyebaran lan owah-owahan sinyal LSFL-I menyang nomer gelombang sing luwih cilik.Iki amarga mundhak ing \(\theta\) lan jangkoan sudut \(\theta \pm \delta \theta\) nalika ambane trench mundhak.Iki bisa dideleng kanthi mbandhingake puncak LSFL-I ing Fig. 3ia, c, e.
Miturut asil ditampilake ing anjir.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) uga katon ing PSD sing cocog ing anjir.3 yaiku.Ing anjir.3ig,h nuduhake PSD kanggo p-polarisasi.Bentenane puncak DLIP luwih jelas antarane conto sing digawe panas lan ora digawe panas.Ing kasus iki, sinyal saka LSFL-I tumpang tindih karo harmonik sing luwih dhuwur saka puncak DLIP, nambah sinyal cedhak dawa gelombang lasing.
Kanggo ngrembug asil ing liyane rinci, ing Fig.. 3ii nuduhake ambane struktural lan tumpang tindih antarane pulses saka distribusi dhuwur linear DLIP ing macem-macem suhu.Profil dhuwur vertikal saka lumahing iki dijupuk dening rata-rata sepuluh individu profil dhuwur vertikal watara tengah struktur DLIP.Kanggo saben suhu sing ditrapake, ambane struktur mundhak kanthi tumpang tindih pulsa.Profil sampel sing digawe panas nuduhake alur kanthi nilai rata-rata puncak-kanggo-puncak (pvp) 0,87 µm kanggo s-polarisasi lan 1,06 µm kanggo p-polarisasi.Ing kontras, s-polarisasi lan p-polarisasi saka sampel unheated nuduhake pvp saka 1.75 µm lan 2.33 µm, mungguh.Pvp sing cocog digambarake ing profil dhuwur ing anjir.3ii.Saben rata-rata PvP diwilang kanthi rata-rata wolung PvP tunggal.
Kajaba iku, ing anjir.3iig, h nuduhake distribusi dhuwur p-polarisasi jejeg sistem posisi lan gerakan alur.Arah saka p-polarisasi duweni efek positif ing ambane alur amarga asil ing pvp rada luwih dhuwur ing 2,33 µm dibandhingake s-polarisasi ing 1,75 µm pvp.Iki ing siji cocog karo grooves lan gerakan saka sistem platform posisi.Efek iki bisa disebabake dening struktur sing luwih cilik ing kasus polarisasi s dibandhingake karo kasus polarisasi p (pirsani Fig. 2f, h), sing bakal dibahas luwih lanjut ing bagean sabanjure.
Tujuan saka rembugan punika nerangake nyuda ing ambane alur amarga owah-owahan ing kelas LIPS utama (LSFL-I kanggo LSFL-II) ing cilik saka sampel digawe panas.Dadi wangsulana pitakon-pitakon ing ngisor iki:
Kanggo njawab pitakonan pisanan, perlu nimbang mekanisme sing tanggung jawab kanggo ngurangi ablasi.Kanggo pulsa siji ing kedadeyan normal, ambane ablasi bisa diterangake minangka:
ing ngendi \(\delta _{\mathrm {E}}\) yaiku ambane penetrasi energi, \(\Phi\) lan \(\Phi _{\mathrm {th}}\) minangka fluence penyerapan lan fluence Ablasi ambang, mungguh34.
Secara matematis, kedalaman penetrasi energi nduweni efek multiplikatif marang ambane ablasi, dene owah-owahan energi nduweni efek logaritma.Dadi owah-owahan fluence ora mengaruhi \(\Delta z\) anggere \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Nanging, oksidasi kuwat (contone, amarga pambentukan kromium oksida) nyebabake ikatan Cr-O35 sing luwih kuat dibandhingake karo ikatan Cr-Cr, saéngga nambah ambang ablasi.Akibate, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) wis ora wareg maneh, sing ndadékaké kanggo nyuda cepet ing ambane ablasi karo mudun Kapadhetan fluks energi.Kajaba iku, korélasi antarane negara oksidasi lan periode LSFL-II dikenal, sing bisa diterangake kanthi owah-owahan ing struktur nano dhewe lan sifat optik saka permukaan sing disebabake dening oksidasi permukaan30,35.Mulane, distribusi lumahing pas fluence panyerepan \(\Phi\) amarga dinamika Komplek saka interaksi antarane periode struktural lan kekandelan lapisan oksida.Gumantung ing wektu, struktur nano banget mengaruhi distribusi fluks energi sing diserep amarga tambah cetha ing lapangan, eksitasi plasmon permukaan, transfer cahya sing luar biasa utawa scattering17,19,20,21.Mula, \(\Phi\) pancen inhomogeneous cedhak lumahing, lan \(\delta _ {E}\) mbokmenawa ora bisa maneh karo siji koefisien panyerepan \(\ alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) kanggo kabeh volume cedhak permukaan.Wiwit kekandelan film oksida gumantung ing wektu solidifikasi [26], efek nomenklatur gumantung ing suhu sampel.Mikrograf optik sing ditampilake ing Gambar S1 ing Bahan Tambahan nuduhake owah-owahan ing sifat optik.
Efek kasebut sebagian njlentrehake ambane trench sing luwih cethek ing kasus struktur permukaan cilik ing Gambar 1d,e lan 2b,c lan 3(ii)b,d,f.
LSFL-II dikenal kanggo mbentuk semikonduktor, dielektrik, lan bahan sing rawan oksidasi14,29,30,36,37.Ing kasus pungkasan, kekandelan lapisan oksida lumahing utamané wigati30.Analisis EDX sing ditindakake nuduhake pembentukan oksida permukaan ing permukaan terstruktur.Mangkono, kanggo conto sing ora dipanasake, oksigen sekitar katon nyumbang kanggo pembentukan partikel gas lan sebagian pembentukan oksida permukaan.Kaloro fenomena kasebut menehi kontribusi sing signifikan kanggo proses iki.Kosok baline, kanggo conto sing digawe panas, oksida logam saka macem-macem kahanan oksidasi (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, lsp.) cetha 38.Saliyane lapisan oksida sing dibutuhake, anané kekasaran subwavelength, utamané LIPSS frekuensi spasial dhuwur (HSFL), perlu kanggo mbentuk mode intensitas subwavelength (jinis-d) sing dibutuhake14,30.Mode intensitas LSFL-II pungkasan minangka fungsi saka amplitudo HSFL lan kekandelan oksida.Alesan kanggo mode iki gangguan adoh-lapangan cahya kasebar dening HSFL lan cahya refracted menyang materi lan propagating nang materi dielektrik lumahing20,29,30.Gambar SEM saka pinggir pola lumahing ing Gambar S2 ing bagean Bahan Tambahan nuduhake HSFL sing wis ana.Wilayah njaba iki kena pengaruh banget dening pinggiran distribusi intensitas, sing ngidini pembentukan HSFL.Amarga simetri distribusi intensitas, efek iki uga dumadi ing arah pemindaian.
Pemanasan sampel mengaruhi proses pembentukan LSFL-II kanthi sawetara cara.Ing tangan siji, Tambah ing suhu sampel \(T_\mathrm{s}\) duwe efek luwih akeh ing tingkat solidification lan cooling saka kekandelan saka lapisan molten26.Mangkono, antarmuka Cairan saka sampel digawe panas kapapar oksigen sekitar kanggo wektu maneh.Kajaba iku, solidification telat ngidini pangembangan pangolahan convective Komplek sing nambah campuran oksigen lan oksida karo baja Cairan26.Iki bisa dituduhake kanthi mbandhingake kekandelan lapisan oksida sing dibentuk mung kanthi difusi (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Wektu koagulasi sing cocog yaiku \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, lan koefisien difusi \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ ) / s) Kekandelan sing luwih dhuwur diamati utawa dibutuhake ing formasi LSFL-II30.Ing tangan liyane, dadi panas uga mengaruhi tatanan saka HSFL lan Empu scattering obyek dibutuhake kanggo transisi menyang LSFL-II d-jinis intensitas mode.Paparan nanovoid sing kepepet ing ngisor permukaan nuduhake keterlibatan ing pambentukan HSFL39.Cacat kasebut bisa uga nggambarake asale elektromagnetik HSFL amarga pola intensitas periodik frekuensi dhuwur sing dibutuhake14,17,19,29.Kajaba iku, mode intensitas sing diasilake iki luwih seragam kanthi jumlah nanovoids19.Mangkono, alesan kanggo tambah insidensi HSFL bisa diterangake dening owah-owahan ing dinamika saka cacat kristal minangka \ (T_ \ mathrm {s} \) mundhak.
Saiki wis ditampilake yen tingkat pendinginan silikon minangka parameter kunci kanggo supersaturasi interstitial intrinsik lan kanthi mangkono kanggo akumulasi cacat titik kanthi pembentukan dislokasi40,41.Simulasi dinamika molekul saka logam murni wis nuduhake yen lowongan supersaturate sajrone rekristalisasi kanthi cepet, lan mula akumulasi kekosongan ing logam bisa ditindakake kanthi cara sing padha42,43,44.Kajaba iku, studi eksperimen anyar babagan perak wis fokus ing mekanisme pembentukan void lan kluster amarga akumulasi cacat titik45.Mulane, kenaikan suhu sampel \(T_\mathrm {s}\) lan, kanthi mangkono, nyuda tingkat pendinginan bisa nyebabake pembentukan void, yaiku inti saka HSFL.
Yen lowongan minangka prekursor sing dibutuhake kanggo rongga lan mula HSFL, suhu sampel \(T_s\) kudu duwe rong efek.Ing tangan siji, \ (T_s \) mengaruhi tingkat rekristalisasi lan, akibate, konsentrasi cacat titik (konsentrasi lowongan) ing kristal sing tuwuh.Ing tangan liyane, uga mengaruhi tingkat cooling sawise solidification, mangkono mengaruhi panyebaran cacat titik ing kristal 40,41.Kajaba iku, tingkat solidifikasi gumantung saka orientasi kristalografi lan kanthi mangkono anisotropik banget, uga difusi cacat titik42,43.Miturut premis iki, amarga respon anisotropik saka materi kasebut, interaksi cahya lan materi dadi anisotropik, sing banjur nggedhekake pelepasan energi periodik deterministik iki.Kanggo bahan polikristalin, prilaku iki bisa diwatesi kanthi ukuran gandum siji.Nyatane, pembentukan LIPSS wis dituduhake gumantung saka orientasi gandum46,47.Mulane, efek saka suhu sampel \ (T_s \) ing tingkat crystallization bisa uga ora kuwat minangka efek saka orientasi gandum.Mangkono, orientasi kristalografi sing beda-beda saka biji-bijian sing beda menehi panjelasan potensial kanggo nambah void lan agregasi HSFL utawa LSFL-II, masing-masing.
Kanggo njlentrehake indikasi awal saka hipotesis iki, sampel mentah diukir kanggo mbukak formasi gandum sing cedhak karo permukaan.Perbandingan biji-bijian ing anjir.S3 ditampilake ing materi tambahan.Kajaba iku, LSFL-I lan LSFL-II muncul ing klompok ing conto sing digawe panas.Ukuran lan geometri kluster kasebut cocog karo ukuran gandum.
Menapa malih, HSFL mung dumadi ing sawetara sempit ing Kapadhetan fluks kurang amarga convective asal sawijining19,29,48.Mulane, ing eksperimen, iki mbokmenawa mung ana ing pinggiran profil beam.Mula, HSFL dibentuk ing permukaan sing ora dioksidasi utawa dioksidasi kanthi lemah, sing katon nalika mbandhingake fraksi oksida saka conto sing diolah lan ora diobati (pirsani tabel reftab: conto).Iki nandheske asumsi yen lapisan oksida utamané disebabake dening laser.
Amarga pembentukan LIPSS biasane gumantung saka jumlah pulsa amarga umpan balik antar pulsa, HSFL bisa diganti karo struktur sing luwih gedhe amarga tumpang tindih pulsa mundhak19.HSFL sing kurang reguler nyebabake pola intensitas sing kurang reguler (mode d) sing dibutuhake kanggo pambentukan LSFL-II.Mulane, nalika tumpang tindih \ (o_ \ mathrm {p} \) mundhak (ndeleng Fig. 1 saka de), reguler LSFL-II nyuda.
Panaliten iki nyelidiki efek suhu substrat ing morfologi permukaan baja tahan karat DLIP berstruktur laser.Wis ditemokake yen pemanasan substrat saka 21 nganti 250 ° C nyebabake nyuda ambane ablasi saka 1.75 dadi 0.87 µm ing polarisasi s lan saka 2.33 dadi 1.06 µm ing polarisasi p.Penurunan iki amarga owah-owahan ing jinis LIPSS saka LSFL-I dadi LSFL-II, sing digandhengake karo lapisan oksida permukaan sing diakibatake laser ing suhu sampel sing luwih dhuwur.Kajaba iku, LSFL-II bisa nambah fluks ambang amarga tambah oksidasi.Dianggep yen ing sistem teknologi iki kanthi tumpang tindih pulsa dhuwur, kapadhetan energi rata-rata lan tingkat pengulangan rata-rata, kedadeyan LSFL-II uga ditemtokake dening owah-owahan dinamika dislokasi sing disebabake dening pemanasan sampel.Agregasi LSFL-II dihipotesisake amarga pembentukan nanovoid sing gumantung saka orientasi gandum, sing ndadékaké HSFL minangka prekursor LSFL-II.Kajaba iku, pengaruh arah polarisasi ing periode struktural lan bandwidth periode struktural diteliti.Pranyata p-polarisasi luwih efisien kanggo proses DLIP babagan ambane ablasi.Sakabèhé, panliten iki nemokake sakumpulan paramèter proses kanggo ngontrol lan ngoptimalake ambane ablasi DLIP kanggo nggawe pola permukaan sing disesuaikan.Akhire, transisi saka LSFL-I kanggo LSFL-II tanggung panas mimpin lan Tambah cilik ing tingkat Ambalan samesthine karo tumpang tindih pulsa pancet amarga tambah panas buildup24.Kabeh aspek kasebut cocog karo tantangan mbesuk ngembangake proses DLIP, contone liwat nggunakake sistem scanning poligonal49.Kanggo nyilikake panas buildup, strategi ing ngisor iki bisa mèlu: supaya kacepetan mindhai scanner polygonal sabisa, njupuk kauntungan saka ukuran titik laser luwih gedhe, orthogonal kanggo arah mindhai, lan nggunakake ablation optimal.fluence 28. Kajaba iku, gagasan iki ngidini nggawe topografi hirarkis Komplek kanggo functionalization lumahing majeng nggunakake DLIP.
Ing panliten iki, piring baja tahan karat elektropoles (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) 0,8 mm digunakake.Kanggo mbusak rereged saka lumahing, conto kasebut kanthi teliti dikumbah nganggo etanol sadurunge perawatan laser (konsentrasi mutlak etanol \(\ge\) 99,9%).
Setelan DLIP ditampilake ing Figure 4. Sampel digawe nggunakake sistem DLIP sing dilengkapi sumber laser pulsed ultrashort 12 ps kanthi dawane gelombang 532 nm lan tingkat pengulangan maksimal 50 MHz.Distribusi spasial saka energi balok yaiku Gaussian.Optik sing dirancang khusus nyedhiyakake konfigurasi interferometrik dual-beam kanggo nggawe struktur linear ing sampel.Lensa kanthi dawa fokus 100 mm superimpose rong sinar laser tambahan ing permukaan kanthi sudut tetep 6,8\(^\circ\), sing menehi wektu spasial watara 4,5 µm.Informasi liyane babagan persiyapan eksperimen bisa ditemokake ing papan liya50.
Sadurunge proses laser, sampel diselehake ing piring pemanas ing suhu tartamtu.Suhu piring pemanas disetel ing 21 lan 250 ° C.Ing kabeh eksperimen, jet transversal saka udara tekan digunakake ing kombinasi karo piranti exhaust kanggo nyegah deposisi bledug ing optik.Sistem tataran x,y disetel kanggo posisi sampel sajrone struktur.
Kacepetan saka sistem tataran posisi iki mawarni-warni saka 66 kanggo 200 mm / s kanggo njupuk tumpang tindih antarane pulses 99,0 kanggo 99,67 \(\%\) mungguh.Ing kabeh kasus, tingkat pengulangan tetep ing 200 kHz, lan daya rata-rata 4 W, sing menehi energi saben pulsa 20 μJ.Diameter sinar sing digunakake ing eksperimen DLIP kira-kira 100 µm, lan kapadhetan energi laser puncak sing diasilake yaiku 0,5 J/cm\(^{2}\).Total energi sing dibebasake saben unit area yaiku fluence kumulatif puncak sing cocog karo 50 J/cm\(^2\) kanggo \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) kanggo \(o_{\mathrm {p))\)=99.5\(\%\) lan 150 J/cm\(^2\) kanggo \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Gunakake piring \(\lambda\)/2 kanggo ngganti polarisasi sinar laser.Kanggo saben set paramèter sing digunakake, area kira-kira 35 × 5 mm \(^{2}\) tekstur ing sampel.Kabeh eksperimen terstruktur ditindakake ing kahanan sekitar kanggo njamin aplikasi industri.
Morfologi sampel diteliti nggunakake mikroskop confocal kanthi perbesaran 50x lan resolusi optik lan vertikal masing-masing 170 nm lan 3 nm.Data topografi sing wis dikumpulake banjur dievaluasi nggunakake piranti lunak analisis permukaan.Ekstrak profil saka data terrain miturut ISO 1661051.
Sampel uga ditondoi nggunakake mikroskop elektron scanning ing voltase nyepetake 6,0 kV.Komposisi kimia permukaan sampel dievaluasi nggunakake lampiran spektroskopi sinar-X energi-dispersif (EDS) kanthi voltase nyepetake 15 kV.Kajaba iku, mikroskop optik kanthi objektif 50x digunakake kanggo nemtokake morfologi granular saka struktur mikro sampel. Sadurungé, sampel diukir ing suhu konstan 50 \(^\circ\)C kanggo limang menit ing pewarna stainless steel kanthi konsentrasi asam klorida lan asam nitrat 15-20 \(\%\) lan 1\( -<\)5 \(\%\), mungguh. Sadurungé, sampel diukir ing suhu konstan 50 \(^\circ\)C kanggo limang menit ing pewarna stainless steel kanthi konsentrasi asam klorida lan asam nitrat 15-20 \(\%\) lan 1\( -<\)5 \(\%\), mungguh. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут ing краске из нержавеющеский слотами концентрацией 15-20 \(\%\) lan 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Sadurungé, sampel diukir ing suhu konstan 50 \(^\circ\)C kanggo limang menit ing cat stainless steel karo asam hidroklorat lan nitrat kanthi konsentrasi 15-20 \(\%\) lan 1\( -<\)5 \( \%\) mungguh.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\50\100% (-<\)5 \ (\%\), 分别.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C (\%\)，分别。Sadurunge, conto kasebut diasinake limang menit ing suhu konstan 50 \(^\circ\)C ing larutan pewarnaan kanggo stainless steel kanthi konsentrasi asam klorida lan nitrat 15-20 \(\%\) lan 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) mungguh.
Diagram skematis saka persiyapan eksperimen saka persiyapan DLIP loro-beam, kalebu (1) sinar laser, (2) piring \(\lambda\)/2, (3) sirah DLIP kanthi konfigurasi optik tartamtu, (4) ) hot plate, (5) cross-fluidic, (6) x,y langkah posisi lan (7) spesimen stainless steel.Loro balok sing ditumpangi, dibunderi abang ing sisih kiwa, nggawe struktur linear ing sampel ing sudut \(2\theta\) (kalebu polarisasi s lan p).
Dhata data sing digunakake lan/utawa dianalisis ing panliten saiki kasedhiya saka panulis masing-masing kanthi panyuwunan sing cukup.
Wektu kirim: Jan-07-2023