Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Nampilkeun carousel tilu slide sakaligus.Pake tombol Saméméhna jeung Salajengna pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu, atawa make tombol geseran di ahir pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu.
gangguan laser langsung (DLIP) digabungkeun jeung struktur permukaan periodik laser-ngainduksi (LIPSS) ngamungkinkeun kreasi surfaces fungsional pikeun sagala rupa bahan.The throughput tina prosés biasana ngaronjat ku ngagunakeun kakuatan laser rata luhur.Sanajan kitu, ieu ngabalukarkeun akumulasi panas, nu mangaruhan roughness jeung bentuk pola permukaan hasilna.Ku alatan éta, perlu diajar sacara rinci pangaruh suhu substrat dina morfologi unsur anu didamel.Dina ulikan ieu, beungeut baja ieu garis-pola kalawan ps-DLIP dina 532 nm.Pikeun nalungtik pangaruh suhu substrat dina topografi anu dihasilkeun, piring pemanasan dipaké pikeun ngadalikeun hawa.Pemanasan nepi ka 250 \(^{\circ }\)C nyababkeun panurunan anu signifikan dina jero struktur anu kabentuk tina 2,33 dugi ka 1,06 µm.Turunna ieu pakait sareng penampilan tipena béda LIPSS gumantung kana orientasi séréal substrat jeung oksidasi permukaan laser-ngainduksi.Ulikan ieu nunjukkeun pangaruh kuat suhu substrat, anu ogé diperkirakeun nalika perlakuan permukaan dilaksanakeun dina kakuatan laser rata-rata anu luhur pikeun nyiptakeun épék akumulasi panas.
Métode perlakuan permukaan dumasar kana irradiation laser pulsa ultrashort aya di forefront sains jeung industri alatan kamampuhna pikeun ngaronjatkeun sipat permukaan bahan relevan pangpentingna1.Khususna, fungsionalitas permukaan khusus anu diinduksi ku laser nyaéta canggih dina rupa-rupa séktor industri sareng skenario aplikasi1,2,3.Contona, Vercillo et al.Sipat anti icing geus ditémbongkeun dina alloy titanium pikeun aplikasi aerospace dumasar kana superhydrophobicity laser-ngainduksi.Epperlein dkk ngalaporkeun yén fitur nanosized dihasilkeun ku structuring permukaan laser bisa pangaruh tumuwuhna biofilm atawa inhibisi on specimens baja5.Sajaba ti éta, Guai et al.ogé ningkatkeun sipat optik sél surya organik.6 Ku kituna, structuring laser ngamungkinkeun produksi elemen struktural resolusi luhur ku ablation dikawasa tina material permukaan1.
Téhnik structuring laser anu cocog pikeun ngahasilkeun struktur permukaan périodik sapertos ieu nyaéta langsung laser interference shaping (DLIP).DLIP dumasar kana interferensi deukeut-permukaan dua atawa leuwih sinar laser pikeun ngabentuk permukaan patterned kalawan ciri dina rentang mikrométer jeung nanometer.Gumantung kana jumlah sareng polarisasi sinar laser, DLIP tiasa ngarancang sareng nyiptakeun rupa-rupa struktur permukaan topografi.Pendekatan anu ngajangjikeun nyaéta ngagabungkeun struktur DLIP sareng struktur permukaan périodik anu diinduksi laser (LIPSS) pikeun nyiptakeun topografi permukaan kalayan hirarki struktural kompleks8,9,10,11,12.Di alam, hirarki ieu geus ditémbongkeun nyadiakeun kinerja malah leuwih hadé ti model skala tunggal13.
Fungsi LIPSS tunduk kana prosés ngagedékeun diri (éupan balik positif) dumasar kana ningkatna modulasi deukeut-permukaan distribusi inténsitas radiasi.Ieu alatan kanaékan nanoroughness salaku jumlah pulsa laser dilarapkeun naek 14, 15, 16. Modulasi lumangsung utamana alatan gangguan gelombang dipancarkeun jeung médan éléktromagnétik15,17,18,19,20,21 refracted jeung komponén gelombang sumebar atawa plasmon permukaan.Kabentukna LIPSS ogé dipangaruhan ku waktos pulsa22,23.Khususna, kakuatan laser rata-rata anu langkung luhur diperyogikeun pikeun perawatan permukaan produktivitas anu luhur.Ieu biasana merlukeun pamakéan laju pengulangan tinggi, nyaéta dina rentang MHz.Akibatna, jarak waktu antara pulsa laser nyaeta pondok, nu ngabalukarkeun épék akumulasi panas 23, 24, 25, 26. Éfék ieu ngabalukarkeun kanaékan sakabéh dina suhu permukaan, nu nyata bisa mangaruhan mékanisme patterning salila ablation laser.
Dina karya saméméhna, Rudenko et al.sarta Tzibidis et al.Mékanisme pikeun formasi struktur convective dibahas, nu kudu jadi beuki penting salaku akumulasi panas naek19,27.Sajaba ti éta, Bauer et al.Korélasikeun jumlah kritis akumulasi panas sareng struktur permukaan mikron.Sanajan prosés formasi struktur termal ieu ngainduksi, umumna dipercaya yén produktivitas prosés bisa ningkat ngan saukur ku ngaronjatna laju pengulangan28.Sanajan ieu, kahareupna teu bisa dihontal tanpa kanaékan signifikan dina neundeun panas.Ku alatan éta, strategi prosés nu nyadiakeun topologi multilevel bisa jadi teu bisa dibabawa ka laju pengulangan luhur tanpa ngarobah kinétika prosés jeung formasi struktur9,12.Dina hal ieu, penting pisan pikeun nalungtik kumaha suhu substrat mangaruhan prosés formasi DLIP, khususna nalika ngadamel pola permukaan berlapis kusabab formasi LIPSS sakaligus.
Tujuan tina ulikan ieu nyaéta pikeun ngévaluasi pangaruh suhu substrat dina topografi permukaan anu dihasilkeun nalika ngolah DLIP tina stainless steel nganggo pulsa ps.Salila ngolah laser, suhu substrat sampel dibawa nepi ka 250 \(^\circ\)C ngagunakeun plat pemanasan.Struktur permukaan anu dihasilkeun dicirian ngagunakeun mikroskop confocal, scanning mikroskop éléktron, jeung énergi-dispersive X-ray spéktroskopi.
Dina séri ékspérimén kahiji, substrat baja diolah maké konfigurasi DLIP dua-beam kalayan période spasial 4,5 µm jeung suhu substrat \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, saterusna disebut "unheated" permukaan.Dina hal ieu, tumpang tindihna pulsa \(o_{\mathrm {p}}\) nyaéta jarak antara dua pulsa salaku fungsi tina ukuran spot.Ieu beda-beda ti 99,0% (100 pulsa per posisi) nepi ka 99,67% (300 pulsa per posisi).Dina sagala hal, kapadetan énergi puncak \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (pikeun sarua Gaussian tanpa gangguan) jeung frékuénsi pengulangan f = 200 kHz dipaké.Arah polarisasi sinar laser sajajar jeung gerakan tabel positioning (Gbr. 1a)), nu sajajar jeung arah géométri linier dijieun ku pola gangguan dua-beam.Gambar wawakil struktur diala ngagunakeun mikroskop éléktron scanning (SEM) ditémbongkeun dina Gbr.1a–c.Pikeun ngarojong analisis gambar SEM dina hal topografi, transformasi Fourier (FFTs, ditémbongkeun dina insets poék) anu dipigawé dina struktur keur dievaluasi.Dina sagala hal, géométri DLIP anu dihasilkeun katingali ku période spasial 4,5 µm.
Pikeun kasus \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% di wewengkon poék Gbr.1a, pakait jeung posisi maksimum gangguan, hiji bisa niténan alur ngandung struktur paralel leutik.Aranjeunna silih ganti sareng pita anu langkung terang ditutupan dina topografi sapertos partikel nano.Kusabab struktur paralel antara alur katingalina jejeg polarisasi sinar laser sarta mibanda periode \(\Lambda _{\ mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, rada kirang ti panjang gelombang laser \ (\ lambda \) (532 nm) bisa disebut LIPSS kalawan frékuénsi spasial low (LSFL-I) 15,18.LSFL-I ngahasilkeun disebut s-tipe sinyal dina FFT, "s" scattering15,20.Ku alatan éta, sinyal jejeg unsur nangtung sentral kuat, anu dina gilirannana dihasilkeun ku struktur DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).Sinyal dihasilkeun ku struktur linier tina pola DLIP dina gambar FFT disebut "DLIP-tipe".
Gambar SEM struktur permukaan dijieun maké DLIP.Kapadetan énergi puncak nyaéta \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (pikeun sarimbag Gaussian no-noise) jeung laju pengulangan f = 200 kHz.Gambar nunjukkeun suhu sampel, polarisasi sareng overlay.Gerakan fase lokalisasi ditandaan ku panah hideung dina (a).Inset hideung nunjukkeun FFT pakait anu dicandak tina 37.25\(\times\)37.25 µm SEM gambar (ditémbongkeun nepi ka wavevector jadi \(\vec {k}\cdot (2\pi)^ {-1}\) = 200 nm).Parameter prosés dituduhkeun dina unggal gambar.
Ningali langkung seueur kana Gambar 1, anjeun tiasa ningali yén nalika tumpang tindihna \(o_{\mathrm {p}}\) ningkat, sinyal sigmoid langkung konsentrasi kana sumbu-x FFT.Sesa LSFL-I condong jadi leuwih paralel.Sajaba ti éta, inténsitas relatif sinyal s-tipe turun sarta inténsitas sinyal DLIP-tipe ngaronjat.Ieu alatan trenches beuki dibaca kalawan leuwih tumpang tindihna.Ogé, sinyal sumbu-x antara tipe s jeung puseur kudu asalna tina struktur jeung orientasi sarua jeung LSFL-I tapi kalawan periode nu leuwih panjang (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \) 1.4 ± 0.2 µm) ditémbongkeun saperti dina Gambar 1c).Ku alatan éta, eta dianggap yén formasi maranéhanana nyaéta pola liang di tengah lombang.Fitur anyar ogé némbongan dina rentang frékuénsi luhur (angka gelombang badag) tina ordinate.Sinyalna asalna tina ripples paralel dina lamping lombang, paling dipikaresep alatan gangguan kajadian jeung lampu hareup-reflected on lamping9,14.Di handap ieu, ripples ieu dilambangkeun ku LSFL \ (_ \ mathrm {ujung} \), jeung sinyal maranéhanana - ku tipe -s \ (_ {\ mathrm {p)) \).
Dina percobaan salajengna, suhu sampel dibawa nepi ka 250 °C handapeun permukaan disebut "dipanaskeun".Structuring ieu dilumangsungkeun nurutkeun strategi processing sarua salaku percobaan disebutkeun dina bagian saméméhna (Gbr. 1a-1c).Gambar SEM ngagambarkeun topografi anu dihasilkeun ditémbongkeun saperti dina Gbr. 1d–f.Pemanasan sampel nepi ka 250 C ngabalukarkeun kanaékan penampilan LSFL, arah nu sajajar jeung polarisasi laser.Struktur ieu bisa dicirikeun salaku LSFL-II sarta boga periode spasial \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) tina 247 ± 35 nm.Sinyal LSFL-II teu dipintonkeun dina FFT alatan frékuénsi mode luhur.Nalika \(o_{\ mathrm {p}}\) ngaronjat tina 99,0 jadi 99,67 \(\%\) (Gbr. 1d–e), lebar wewengkon pita caang ngaronjat, nu ngakibatkeun penampilan sinyal DLIP. pikeun leuwih ti frékuénsi luhur.gelombang (frékuénsi handap) sahingga ngageser ka arah puseur FFT.Jajaran liang dina Gbr. 1d bisa jadi prékursor nu disebut alur dibentuk jejeg LSFL-I22,27.Salaku tambahan, LSFL-II katingalina janten langkung pondok sareng bentukna henteu teratur.Catet ogé yén ukuran rata-rata pita caang kalayan morfologi nanograin leuwih leutik dina hal ieu.Sajaba ti éta, distribusi ukuran nanopartikel ieu tétéla jadi kirang dispersed (atawa ngarah ka aglomerasi partikel kirang) ti tanpa pemanasan.Sacara kualitatif, ieu bisa ditaksir ku cara ngabandingkeun angka 1a, d atawa b, e, masing-masing.
Salaku tumpang tindihna \(o_{\mathrm {p}}\) ngaronjat salajengna jadi 99,67% (Gbr. 1f), topografi béda laun mecenghul alatan furrows beuki atra.Sanajan kitu, alur ieu muncul kirang maréntahkeun na kirang jero ti Gbr. 1c.Kontras handap antara wewengkon caang jeung poék gambar muncul dina kualitas.Hasil ieu salajengna dirojong ku sinyal lemah sarta leuwih sumebar tina ordinate FFT dina Gambar 1f dibandingkeun jeung FFT on c.Striae leutik ogé dibuktikeun dina pemanasan nalika ngabandingkeun Gambar 1b sareng e, anu engké dikonfirmasi ku mikroskop confocal.
Salian percobaan saméméhna, polarisasi sinar laser ieu diputer ku 90 \(^{\circ}\), nu ngabalukarkeun arah polarisasi pindah jejeg platform positioning.Dina Gbr.2a-c nembongkeun tahap awal formasi struktur, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% dina unheated (a), dipanaskeun (b) jeung dipanaskeun 90\(^{\ circ }\ ) – Case kalawan polarisasi puteran (c).Pikeun visualize nanotopography tina struktur, wewengkon ditandaan ku kuadrat berwarna ditémbongkeun dina Gbr.2d, dina skala enlarged.
Gambar SEM struktur permukaan dijieun maké DLIP.Parameter prosés sarua jeung dina Gbr.1.Gambar nembongkeun suhu sampel \(T_s\), polarisasi jeung tumpang tindihna pulsa \(o_\mathrm {p}\).Inset hideung deui nembongkeun transformasi Fourier pakait.Gambar di (d)-(i) mangrupakeun magnifications wewengkon ditandaan dina (a)-(c).
Dina hal ieu, bisa ditempo yén struktur di wewengkon darker Gbr. 2b, c anu polarisasi sénsitip sahingga dilabélan LSFL-II14, 20, 29, 30. Utamana, orientasi LSFL-I ogé diputer ( Gbr. 2g, i), nu bisa ditempo ti orientasi sinyal s-tipe dina FFT pakait.Bandwidth periode LSFL-I némbongan leuwih badag dibandingkeun jaman b, sarta rentang na bergeser ka arah période leutik dina Gambar 2c, sakumaha dituduhkeun ku sinyal s-tipe beuki nyebar.Ku kituna, periode spasial LSFL di handap ieu bisa dititénan dina sampel dina suhu pemanasan béda: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm dina 21 ^{ \circ }\ )C (Gbr. 2a), \(\Lambda _{\ mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm jeung \(\Lambda _{\ mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm dina 250 ° C (Gbr. 2b) pikeun s polarisasi.Sabalikna, période spasial p-polarisasi jeung 250 \(^{\circ }\)C sarua jeung \(\Lambda _{\ mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm jeung \(\ Lambda_{\ mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Gbr. 2c).
Utamana, hasil némbongkeun yén ngan ku ngaronjatna suhu sampel, morfologi permukaan bisa pindah antara dua extremes, kaasup (i) permukaan ngandung ukur elemen LSFL-I jeung (ii) wewengkon ditutupan ku LSFL-II.Kusabab kabentukna jinis LIPSS khusus ieu dina permukaan logam pakait sareng lapisan oksida permukaan, analisis sinar-X dispersif énergi (EDX) dilaksanakeun.Tabél 1 nyimpulkeun hasil anu dicandak.Unggal tekad dilaksanakeun ku rata-rata sahenteuna opat spéktrum di tempat anu béda dina permukaan sampel anu diolah.Pangukuran dilaksanakeun dina suhu sampel anu béda \(T_\mathrm{s}\) sareng posisi anu béda dina permukaan sampel anu ngandung daérah anu henteu terstruktur atanapi terstruktur.Pangukuran ogé ngandung émbaran ngeunaan lapisan unoxidized nu leuwih jero nu perenahna langsung handap wewengkon lebur dirawat, tapi dina jero penetrasi éléktron tina analisis EDX.Nanging, kedah diperhatoskeun yén EDX terbatas dina kamampuan pikeun ngitung eusi oksigén, janten nilai-nilai ieu di dieu ngan ukur tiasa masihan penilaian kualitatif.
Bagian anu henteu dirawat tina conto henteu nunjukkeun jumlah oksigén anu signifikan dina sadaya suhu operasi.Saatos perlakuan laser, tingkat oksigén ningkat dina sadaya kasus31.Beda dina komposisi unsur antara dua sampel untreated éta saperti nu diharapkeun pikeun sampel baja komérsial, sarta nilai karbon nyata leuwih luhur kapanggih dibandingkeun lambar data pabrik pikeun baja AISI 304 alatan kontaminasi hidrokarbon32.
Sateuacan ngabahas kamungkinan alesan pikeun panurunan dina jero ablation alur jeung transisi tina LSFL-I mun LSFL-II, kakuatan spéktral density (PSD) jeung profil jangkungna dipaké.
(I) Kuasi-dua diménsi kapadetan spéktral kakuatan dinormalisasi (Q2D-PSD) tina beungeut cai ditémbongkeun salaku gambar SEM dina Gambar 1 jeung 2. 1 jeung 2. Kusabab PSD dinormalisasi, panurunan dina jumlah sinyal kudu dipikaharti salaku paningkatan dina bagian konstan (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), teu ditémbongkeun), ie smoothness.(ii) Propil jangkungna permukaan rata-rata pakait.Suhu sampel \ (T_s \), tumpang tindihna \ (o_ {\ mathrm {p}} \), sarta polarisasi laser E relatif ka orientasi \ (\ vec {v}\) tina gerakan platform positioning ditémbongkeun dina sakabéh plot.
Pikeun ngitung gambaran gambar SEM, spéktrum kakuatan dinormalisasi rata-rata dihasilkeun tina sahanteuna tilu gambar SEM pikeun tiap parameter diatur ku rata-rata sakabéh kapadetan spéktral kakuatan hiji-diménsi (1D) (PSDs) dina arah x atawa y.Grafik saluyu ditémbongkeun dina Gbr. 3i némbongkeun shift frékuénsi sinyal jeung kontribusina relatif ka spéktrum.
Dina Gbr.3ia, c, e, puncak DLIP tumuwuh deukeut \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ ( ^{- 1}\) atanapi harmonik luhur anu pakait nalika tumpang tindihna ningkat \(o_{\mathrm {p))\).Paningkatan dina amplitudo fundamental ieu pakait sareng ngembangkeun kuat struktur LRIB.Amplitudo harmonik nu leuwih luhur naek jeung lungkawing lamping.Pikeun fungsi rectangular salaku watesan kasus, perkiraan merlukeun jumlah pangbadagna frékuénsi.Ku alatan éta, puncak sabudeureun 1,4 µm \ (^ {-1} \) dina PSD jeung harmonik pakait bisa dipaké salaku parameter kualitas pikeun bentuk alur.
Sabalikna, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 3(i)b,d,f, PSD sampel dipanaskeun nembongkeun puncak lemah tur lega kalayan sinyal kirang dina harmonik masing-masing.Sajaba ti éta, dina Gbr.3(i)f nunjukeun yen sinyal harmonik kadua malah ngaleuwihan sinyal fundamental.Ieu ngagambarkeun struktur DLIP leuwih teratur sarta kirang dibaca tina sampel dipanaskeun (dibandingkeun \ (T_s \) = 21 \ (^ \ circ \) C).Fitur séjén nyaéta nalika tumpang tindihna \(o_{\mathrm {p}}\) naek, sinyal LSFL-I anu dihasilkeun ngageser ka arah angka gelombang anu leuwih leutik (periode anu leuwih panjang).Ieu bisa dipedar ku ngaronjat steepness of edges of mode DLIP jeung kanaékan lokal pakait dina sudut incidence14,33.Saatos tren ieu, ngalegaan sinyal LSFL-I ogé tiasa dijelaskeun.Salian lamping lungkawing, aya ogé wewengkon datar dina handap sarta luhureun crests tina struktur DLIP, sahingga pikeun rentang lega tina période LSFL-I.Pikeun bahan anu nyerep pisan, jaman LSFL-I biasana diperkirakeun salaku:
dimana \(\theta\) nyaéta sudut incidence, sarta subskrip s jeung p nujul kana polarisasi béda33.
Ieu kudu dicatet yén plane of incidence pikeun setelan DLIP biasana jejeg gerakan platform positioning, ditémbongkeun saperti dina Gambar 4 (tingali bagian Bahan jeung Métode).Ku alatan éta, s-polarisasi biasana sajajar jeung gerakan panggung, sarta p-polarisasi jejeg eta.Numutkeun persamaan.(1), pikeun s-polarisasi, a sumebar sarta shift tina sinyal LSFL-I arah wilanganana gelombang leutik diharepkeun.Ieu alatan kanaékan \(\theta\) jeung rentang sudut \(\theta \pm \delta \theta\) nalika jero lombang nambahan.Ieu bisa ditempo ku ngabandingkeun puncak LSFL-I dina Gbr. 3ia, c, e.
Numutkeun hasil ditémbongkeun dina Gbr.1c, LSFL \ (_ \ mathrm {ujung} \) ogé katingali dina PSD anu aya dina Gbr.3 nyaéta.Dina Gbr.3ig,h nembongkeun PSD pikeun p-polarisasi.Bédana dina puncak DLIP langkung jelas antara sampel anu dipanaskeun sareng anu henteu dipanaskeun.Dina hal ieu, sinyal ti LSFL-I tumpang tindih jeung harmonik luhur tina puncak DLIP, nambahkeun kana sinyal deukeut panjang gelombang lasing.
Pikeun ngabahas hasil dina leuwih jéntré, dina Gbr. 3ii nembongkeun jero struktural jeung tumpang tindihna antara pulsa tina DLIP sebaran jangkungna linier dina rupa suhu.Profil jangkungna nangtung tina beungeut cai dicandak ku rata-rata sapuluh profil jangkungna nangtung individu sabudeureun puseur struktur DLIP.Pikeun unggal suhu anu diterapkeun, jerona struktur naék kalayan ningkat tumpang tindihna pulsa.Profil sampel anu dipanaskeun nunjukkeun alur kalayan nilai rata-rata puncak-ka-puncak (pvp) 0,87 µm pikeun s-polarisasi sareng 1,06 µm pikeun p-polarisasi.Sabalikna, s-polarisasi sareng p-polarisasi tina sampel anu teu dipanaskeun nunjukkeun pvp masing-masing 1.75 µm sareng 2.33 µm.The pvp pakait digambarkeun dina profil jangkungna dina Gbr.3ii.Unggal PvP rata-rata diitung ku rata-rata dalapan PvP tunggal.
Sajaba ti éta, dina Gbr.3iig, h nembongkeun sebaran jangkungna p-polarisasi jejeg sistem positioning jeung gerakan alur.Arah p-polarisasi miboga éfék positif dina jero alur sabab ngahasilkeun pvp rada luhur dina 2.33 µm dibandingkeun jeung s-polarisasi dina 1.75 µm pvp.Ieu dina gilirannana pakait jeung alur sarta gerakan sistem platform positioning.Éfék ieu bisa disababkeun ku struktur nu leuwih leutik dina kasus s-polarisasi dibandingkeun jeung kasus p-polarisasi (tingali Gbr. 2f, h), nu bakal dibahas salajengna dina bagian salajengna.
Tujuan tina sawala téh ngajelaskeun panurunan dina jero alur alatan parobahan dina kelas LIPS utama (LSFL-I mun LSFL-II) dina kasus sampel dipanaskeun.Janten jawab patarosan di handap ieu:
Pikeun ngajawab patarosan kahiji, perlu mertimbangkeun mékanisme jawab ngurangan ablation.Pikeun pulsa tunggal dina incidence normal, jero ablasi bisa digambarkeun salaku:
dimana \(\delta _{\mathrm {E}}\) nyaéta jero penetrasi énergi, \(\Phi\) jeung \(\Phi _{\mathrm {th}}\) nyaéta fluence nyerep jeung fluence Ablasi bangbarung, masing34 .
Sacara matematis, jerona penetrasi énérgi miboga éfék multiplikatif dina jero ablasi, sedengkeun parobahan énergi miboga éfék logaritmik.Jadi parobahan fluence henteu mangaruhan \(\Delta z\) salami \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Sanajan kitu, oksidasi kuat (contona, alatan kabentukna kromium oksida) ngakibatkeun beungkeut Cr-O35 kuat dibandingkeun beungkeut Cr-Cr, kukituna ngaronjatkeun ambang ablasi.Akibatna, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) geus teu sugema deui, nu ngabalukarkeun panurunan gancang dina jero ablasi jeung turunna dénsitas fluks énergi.Salaku tambahan, korélasi antara kaayaan oksidasi sareng periode LSFL-II dipikanyaho, anu tiasa dijelaskeun ku parobahan dina struktur nano sorangan sareng sipat optik permukaan anu disababkeun ku oksidasi permukaan30,35.Ku alatan éta, distribusi permukaan pasti tina fluence nyerep \(\Phi\) disababkeun ku dinamika kompléks interaksi antara periode struktural jeung ketebalan lapisan oksida.Gumantung kana periode, struktur nano kuat pangaruh sebaran fluks énergi diserep alatan kanaékan seukeut dina widang, éksitasi plasmons permukaan, mindahkeun lampu rongkah atawa scattering17,19,20,21.Ku alatan éta, \(\Phi\) pisan inhomogeneous deukeut beungeut cai, sarta \(\delta _ {E}\) meureun moal mungkin deui ku hiji koefisien nyerep \(\ alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ {-1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) pikeun sakabéh volume deukeut permukaan.Kusabab ketebalan pilem oksida gumantung kana waktos solidification [26], pangaruh nomenclature gumantung kana suhu sampel.Mikrograf optik anu dipidangkeun dina Gambar S1 dina Bahan Suplemén nunjukkeun parobahan dina sipat optik.
Balukar ieu sabagean ngajelaskeun jero lombang nu leuwih deet dina kasus struktur permukaan leutik dina Gambar 1d,e jeung 2b,c jeung 3(ii)b,d,f.
LSFL-II dipikanyaho ngabentuk dina semikonduktor, diéléktrik, sareng bahan anu rawan oksidasi14,29,30,36,37.Dina kasus anu terakhir, ketebalan lapisan oksida permukaan hususna penting30.Analisis EDX anu dilakukeun ngungkabkeun formasi oksida permukaan dina permukaan terstruktur.Ku kituna, pikeun sampel unheated, oksigén ambient sigana nyumbang kana formasi parsial partikel gas sarta sawaréh kabentukna oksida permukaan.Duanana fenomena nyieun kontribusi signifikan kana prosés ieu.Sabalikna, pikeun sampel dipanaskeun, oksida logam tina rupa-rupa kaayaan oksidasi (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, jsb.) jelas 38 dina kahadean.Sajaba ti lapisan oksida diperlukeun, ayana roughness subwavelength, utamana LIPSS frékuénsi spasial luhur (HSFL), perlu pikeun ngabentuk subwavelength (d-tipe) inténsitas modes14,30.Mode inténsitas LSFL-II ahir nyaéta fungsi tina amplitudo HSFL sareng ketebalan oksida.Alesan keur mode ieu gangguan jauh-widang cahaya sumebar ku HSFL jeung cahaya refracted kana bahan jeung propagating jero material diéléktrik permukaan20,29,30.Gambar SEM tina ujung pola permukaan dina Gambar S2 dina bagian Bahan Suplemén nunjukkeun HSFL anu tos aya.Wewengkon luar ieu lemah kapangaruhan ku periphery distribusi inténsitas, anu ngamungkinkeun kabentukna HSFL.Kusabab simétri sebaran inténsitas, éfék ieu ogé lumangsung sapanjang arah scanning.
Sampel pemanasan mangaruhan prosés formasi LSFL-II ku sababaraha cara.Di hiji sisi, kanaékan suhu sampel \(T_\mathrm{s}\) boga pangaruh leuwih gede dina laju solidification jeung cooling ti ketebalan tina lapisan molten26.Ku kituna, antarbeungeut cair tina sampel dipanaskeun kakeunaan oksigén ambient pikeun periode nu leuwih lila.Sajaba ti éta, solidification nyangsang ngamungkinkeun ngembangkeun prosés convective kompléks nu ngaronjatkeun pergaulan oksigén jeung oksida jeung steel cair26.Ieu tiasa ditingalikeun ku ngabandingkeun ketebalan lapisan oksida anu dibentuk ngan ku difusi (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Waktu koagulasi anu cocog nyaéta \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, jeung koefisien difusi \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Ketebalan anu langkung ageung dititénan atanapi diperyogikeun dina formasi LSFL-II30.Di sisi séjén, pemanasan ogé mangaruhan formasi HSFL sahingga objék scattering diperlukeun pikeun transisi kana mode inténsitas tipe-d LSFL-II.Paparan nanovoids trapped handap beungeut nunjukkeun involvement maranéhanana dina formasi HSFL39.Cacat ieu tiasa ngawakilan asal éléktromagnétik HSFL kusabab pola inténsitas périodik frékuénsi luhur anu diperyogikeun14,17,19,29.Salaku tambahan, modeu inténsitas anu dibangkitkeun ieu langkung seragam sareng sajumlah nanovoids19.Ku kituna, alesan pikeun ngaronjat incidence of HSFL bisa dipedar ku parobahan dina dinamika defects kristal salaku \ (T_ \ mathrm {s} \) naek.
Ieu nembe geus ditémbongkeun yén laju cooling silikon mangrupakeun parameter konci pikeun supersaturation interstitial intrinsik sahingga pikeun akumulasi defects titik kalawan formasi dislocations40,41.simulasi dinamika molekular logam murni geus ditémbongkeun yén vacancies supersaturate salila recrystallization gancang, sarta ku kituna akumulasi vacancies dina logam proceeds dina cara nu sarupa42,43,44.Sajaba ti éta, studi ékspérimén panganyarna ngeunaan pérak geus fokus kana mékanisme formasi voids na klaster alatan akumulasi titik defects45.Ku alatan éta, kanaékan suhu sampel \(T_\mathrm {s}\) jeung, akibatna, panurunan dina laju cooling bisa mangaruhan formasi voids, nu inti HSFL.
Upami lowongan mangrupikeun prékursor anu diperyogikeun pikeun rongga sareng ku kituna HSFL, suhu sampel \(T_s\) kedah gaduh dua pangaruh.Di hiji sisi, \(T_s\) mangaruhan laju recrystallization jeung, konsékuansi, konsentrasi titik defects (konsentrasi lowongan) dina kristal tumuwuh.Di sisi séjén, éta ogé mangaruhan laju cooling sanggeus solidification, kukituna mangaruhan difusi titik defects dina kristal 40,41.Sajaba ti éta, laju solidification gumantung kana orientasi crystallographic sahingga kacida anisotropic, kitu ogé difusi titik defects42,43.Numutkeun premis ieu, kusabab réspon anisotropik tina bahan, interaksi cahaya sareng materi janten anisotropik, anu salajengna ngagedékeun sékrési énergi périodik deterministik ieu.Pikeun bahan polycrystalline, kabiasaan ieu bisa diwatesan ku ukuran hiji sisikian.Kanyataanna, formasi LIPSS parantos nunjukkeun gumantung kana orientasi gandum46,47.Ku alatan éta, pangaruh suhu sampel \ (T_s \) dina laju kristalisasi bisa jadi teu kuat salaku pangaruh orientasi sisikian.Ku kituna, orientasi crystallographic béda séréal béda nyadiakeun katerangan poténsial pikeun kanaékan voids na aggregation of HSFL atanapi LSFL-II, mungguh.
Pikeun netelakeun indikasi awal hipotesa ieu, sampel atah anu etched pikeun nembongkeun formasi sisikian deukeut beungeut cai.Babandingan séréal dina Gbr.S3 dipidangkeun dina bahan tambahan.Salaku tambahan, LSFL-I sareng LSFL-II muncul dina grup dina sampel anu dipanaskeun.Ukuran jeung géométri klaster ieu pakait jeung ukuran sisikian.
Leuwih ti éta, HSFL ngan lumangsung dina rentang sempit dina kapadetan fluks low alatan convective na origin19,29,48.Ku alatan éta, dina percobaan, ieu meureun ngan lumangsung dina periphery tina profil beam.Ku alatan éta, HSFL kabentuk dina permukaan anu henteu dioksidasi atanapi dioksidasi lemah, anu katingali nalika ngabandingkeun fraksi oksida tina sampel anu dirawat sareng henteu dirawat (tingali tabel reftab: conto).Ieu confirms anggapan yén lapisan oksida utamana ngainduksi ku laser nu.
Kusabab formasi LIPSS biasana gumantung kana jumlah pulsa kusabab eupan balik antar-pulsa, HSFL tiasa diganti ku struktur anu langkung ageung nalika tumpang tindihna pulsa naék19.A HSFL kirang biasa ngakibatkeun pola inténsitas kirang biasa (d-mode) diperlukeun pikeun formasi LSFL-II.Ku alatan éta, salaku tumpang tindihna tina \ (o_ \ mathrm {p} \) naek (tingali Gbr. 1 ti de), aturan LSFL-II nurun.
Ulikan ieu ditalungtik pangaruh suhu substrat dina morfologi permukaan laser terstruktur DLIP diperlakukeun stainless steel.Kapanggih yén pemanasan substrat tina 21 dugi ka 250 ° C nyababkeun panurunan dina jero ablasi tina 1.75 dugi ka 0.87 µm dina polarisasi s sareng tina 2.33 dugi ka 1.06 µm dina polarisasi p.Turunna ieu disababkeun ku parobihan jinis LIPSS tina LSFL-I ka LSFL-II, anu dikaitkeun sareng lapisan oksida permukaan anu ngainduksi laser dina suhu sampel anu langkung luhur.Salaku tambahan, LSFL-II tiasa ningkatkeun fluks ambang kusabab paningkatan oksidasi.Hal ieu dianggap yén dina sistem téhnologis ieu kalawan tumpang tindihna pulsa tinggi, dénsitas énergi rata jeung laju pengulangan rata, lumangsungna LSFL-II ogé ditangtukeun ku parobahan dina dinamika dislocation disababkeun ku pemanasan sampel.Aggregation of LSFL-II ieu hipotésis janten alatan formasi nanovoid gumantung orientasi sisikian, ngarah kana HSFL salaku prékursor pikeun LSFL-II.Salaku tambahan, pangaruh arah polarisasi dina période struktural sareng rubakpita période struktural ditalungtik.Tétéla p-polarisasi leuwih efisien pikeun prosés DLIP dina hal jero ablasi.Gemblengna, ulikan ieu uncovers susunan parameter prosés pikeun ngadalikeun jeung ngaoptimalkeun jero ablation DLIP pikeun nyieun pola permukaan ngaropéa.Tungtungna, transisi tina LSFL-I ka LSFL-II sagemblengna panas disetir sarta kanaékan leutik laju pengulangan diperkirakeun kalawan tumpang tindihna pulsa konstan alatan ngaronjat buildup panas24.Sadaya aspék ieu relevan pikeun tantangan anu bakal datang pikeun ngalegaan prosés DLIP, contona ku ngagunakeun sistem scanning polygonal49.Pikeun ngaleutikan akumulasi panas, strategi di handap ieu tiasa dilaksanakeun: jaga laju scanning scanner polygonal saluhur mungkin, ngamangpaatkeun ukuran titik laser anu langkung ageung, ortogonal kana arah scanning, sareng nganggo ablasi optimal.fluence 28. Sajaba ti éta, gagasan ieu ngamungkinkeun kreasi topografi hirarki kompléks pikeun functionalization permukaan canggih maké DLIP.
Dina ulikan ieu, pelat stainless steel electropolished (X5CrNi18-10, 1,4301, AISI 304) 0,8 mm kandel dipaké.Pikeun miceun sagala rereged tina beungeut cai, sampel anu taliti dikumbah ku étanol saméméh perlakuan laser (konsentrasi mutlak étanol \(\ge\) 99,9%).
Setélan DLIP ditémbongkeun dina Gambar 4. Sampel diwangun ngagunakeun sistem DLIP dilengkepan 12 ps sumber laser pulsed ultrashort panjang gelombang 532 nm sarta laju pengulangan maksimum 50 MHz.Sebaran spasial énergi balok nyaéta Gaussian.Optik dirancang husus nyadiakeun konfigurasi interferometric dual-beam pikeun nyieun struktur linier dina sampel.Hiji lénsa kalayan panjang fokus 100 mm superimposes dua sinar laser tambahan dina beungeut cai dina sudut tetep 6,8\(^\circ\), nu mere periode spasial ngeunaan 4,5 µm.Inpo nu langkung lengkep ihwal setelan eksperimen tiasa dipendakan di tempat sanés50.
Sateuacan ngolah laser, sampel disimpen dina piring pemanasan dina suhu anu tangtu.Suhu piring pemanasan disetel dina 21 sareng 250 ° C.Dina sagala percobaan, jet transverse hawa dikomprés dipaké dina kombinasi kalayan alat knalpot pikeun nyegah déposisi lebu dina élmu optik.Sistem tahapan x,y diatur pikeun posisi sampel salila structuring.
Laju sistem tahap positioning ieu variatif ti 66 ka 200 mm / s pikeun ménta tumpang tindihna antara pulsa 99,0 nepi ka 99,67 \(\%\) mungguh.Dina sagala hal, laju pengulangan dibenerkeun dina 200 kHz, sareng kakuatan rata-rata 4 W, anu masihan énergi per pulsa 20 μJ.Diaméter balok anu digunakeun dina percobaan DLIP kira-kira 100 µm, sarta dénsitas énergi laser puncak anu dihasilkeun nyaéta 0,5 J/cm\(^{2}\).Total énergi anu dileupaskeun per unit aréa nyaéta fluence kumulatif puncak pakait jeung 50 J/cm\(^2\) pikeun \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) pikeun \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) jeung 150 J/cm\(^2\) pikeun \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Paké \ (\ lambda \) / 2 plat pikeun ngarobah polarisasi tina sinar laser.Pikeun unggal set parameter anu dianggo, legana kira-kira 35 × 5 mm\(^{2}\) tékstur dina sampel.Sadaya percobaan terstruktur dilaksanakeun dina kaayaan ambient pikeun mastikeun aplikasi industri.
Morfologi sampel ditalungtik ngagunakeun mikroskop confocal kalawan magnification 50x sarta resolusi optik sarta vertikal 170 nm jeung 3 nm, masing-masing.Data topografi anu dikumpulkeun tuluy dievaluasi ngagunakeun parangkat lunak analisis permukaan.Ékstrak profil tina data rupa bumi numutkeun ISO 1661051.
Sampel ogé dicirian ngagunakeun mikroskop éléktron scanning dina tegangan accelerating 6.0 kV.Komposisi kimia permukaan sampel dievaluasi ngagunakeun kantétan spéktroskopi sinar-X (EDS) dispersif énergi dina tegangan ngagancangan 15 kV.Salaku tambahan, mikroskop optik kalayan tujuan 50x digunakeun pikeun nangtukeun morfologi granular tina mikrostruktur sampel. Saméméh éta, sampel anu etched dina suhu konstan 50 \(^\circ\)C salila lima menit dina noda stainless steel kalawan asam hidroklorat jeung asam nitrat konsentrasi 15-20 \(\%\) jeung 1\( -<\)5 \(\%\), masing-masing. Saméméh éta, sampel anu etched dina suhu konstan 50 \(^\circ\)C salila lima menit dina noda stainless steel kalawan asam hidroklorat jeung asam nitrat konsentrasi 15-20 \(\%\) jeung 1\( -<\)5 \(\%\), masing-masing. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут в краске из нержавеющеский слотами концентрацией 15-20 \(\%\) jeung 1\( -<\)5 \( \%\) соответственно. Saméméh éta, sampel anu etched dina suhu konstan 50 \(^\circ\)C salila lima menit dina cet stainless steel kalawan hidroklorat jeung asam nitrat kalawan konsentrasi 15-20 \(\%\) jeung 1\( -<\)5 \( \%\) masing-masing.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C 的恒温蚀刻五分钟，盐酸和硝酸\1\000% (-<\)5 \ (\%\)，分别.在此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C (\%\)，分别。Saméméh éta, sampel diacar salila lima menit dina suhu konstan 50 \(^\circ\)C dina leyuran staining pikeun stainless steel kalawan konsentrasi asam hidroklorat jeung nitrat 15-20 \(\%\) jeung 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) masing-masing.
Diagram skéma tina setelan eksperimen tina setelan DLIP dua-beam, kaasup (1) sinar laser, (2) piring \(\lambda\)/2, (3) sirah DLIP kalawan konfigurasi optik tangtu, (4 ) a hot plate, (5) a cross-fluidic , (6) x,y léngkah positioning jeung (7) spésimén stainless steel.Dua balok superimposed, dikurilingan beureum di kénca, nyieun struktur linier dina sampel dina \(2\theta\) sudut (kaasup duanana s- jeung p-polarisasi).
Dataset anu dianggo sareng / atanapi dianalisis dina pangajaran ayeuna sayogi ti pangarang masing-masing upami diperyogikeun.
waktos pos: Jan-07-2023