Sameiginlegt rannsóknarteymi undir forystu prófessors Zhang Peilei frá Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University, og Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. birti rannsóknarritgerð sem ber titilinn "Electromagnetic-hydrodynamic coupling and morphology feedback in the formation and evolution of LIPSS on metals under femtosecond laser multi-international Mathematical Modelling Applied pulse". Teymið kom á fjöleðlisfræðilíkani sem tengir rafsegulfræði, skammvinn hitaeðlisfræði og vatnsaflsfræði og notaði púls-fyrir-ítrekunaraðferð til að rannsaka þróunarferli leysis-framkallaðrar reglubundinnar yfirborðsbygginga (LIPSS) á yfirborði títanblendis. Með því að sameina tilrauna sannprófun og tölulega uppgerð, leiddi teymið í ljós eðlisfræðilegan fyrirkomulag myndunar og þróunar nanóbyggingar undir samverkandi áhrifum Marangoni flæðis og hrökkþrýstings undir formfræði endurgjöf vélbúnaðar.
01
Inngangur
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) eru eðlisfræðilegt fyrirbæri sem getur myndað reglubundna uppbyggingu á yfirborði ýmissa efna (málma, hálfleiðara o.s.frv.) og hefur verið mikið rannsakað. LIPSS eru almennt flokkuð í tvær tegundir: LIPSS með tímabil nálægt leysibylgjulengd (LSFL) og LIPSS með tímabil sem er mun minna en leysibylgjulengd (HSFL). Fyrir klassíska LSFL er myndunarbúnaðurinn almennt viðurkenndur sem afleiðing af truflunum á milli innfallsleysis og yfirborðsplasmonskauta (SPPs) sem eru spenntir á yfirborði efnisins (rafsegulfræði). Þrátt fyrir að rafsegulfræði útskýri tímabil og stefnu LSFL, lýsir hún aðeins kyrrstöðu frumorkuútfellingu og útskýrir ekki kraftmikla þróun efnisins í bráðnu ástandi sem-leysir framkallað. Flutningsferli efnis í bráðnu ástandi endurmótar formgerð yfirborðsins í reglubundna blöndu af toppum og lægðum.
Femtosecond leysirvinnsla hefur einstaka kosti á sviði ör- og nanó-framleiðslu vegna mikillar vinnslu nákvæmni og lítils hita-svæðis. Ofurstuttur púlsbreidd þess einbeitir leysiorku á yfirborð efnisins á mjög skömmum tíma og myndar ó-hitajafnvægisfasaskipti. Rafeindahitaleiðni og rafeinda-hljóðtengistyrkur ráða yfir sendingu og slökun rafsegulorku sem sett er inn í efnið við ofurhröð ferli. Þessir þættir eru grundvallarástæður fyrir muninum á LIPSS formgerð sem sést á ýmsum efnum. Hins vegar er LIPSS myndun uppsafnað fjöl-púlsferli, þar sem yfirborðsformgerð sem myndast af hverjum púlsi virkar sem upphafsmörk fyrir næsta púls. Ennfremur sýnir reglusemi LIPSS mikla háð efniseiginleikum. Fyrri tölulegar hermunir hafa sjaldan tekið tillit til áhrifa yfirborðsformgerðar sem fyrri púlsar mynduðu á síðari púls í fjöl-púlsum, fjöl-eðlisfræðiumhverfi. Breytingar á formgerð efnisyfirborðs við margar-púlsaðstæður leiða til ósamræmis hitasviðs, sem aftur hefur áhrif á endurdreifingu bráðins vökva af völdum hitastigshalla. Þetta krefst megindlegrar greiningar og umfjöllunar um LIPSS þróunarferlið frá púls-fyrir-sjónarhorni.
Laser og rafeindageislavinnsla
02
Uppgerð aðferðir
Til að rannsaka uppsafnaða þróun LIPSS undir margra-púls femtósekúndna leysigeislun og tengdu jákvæðu endurgjöfarkerfi, sundrar verkflæði leysis-efnissamspili eins púls í þrjú tengd skref: rafsegulsviðsútreikning, varmaaflfræðileg þróun og endurtekin vökvavirkni í honum. Í þessari rannsókn leggjum við áherslu á þróunarferlið sem byrjar frá ákveðnu yfirborði. Eftirlíkingin hefst með hugsjónu, sléttu plani, þar sem brottnámsholur sem myndast af leysibreytum og efnissvörun eru talin „árangursríkur grófleiki“ fyrir síðari rafsegultengingu. Í þessu líkani er þessi áhrifaríka grófleiki táknaður með herma yfirborðshreinsun, aðferð sem útilokar óvissu sem tengist tilviljunarkenndum upphafsgrófleika yfirborðs, sem gerir okkur kleift að rannsaka hvernig LIPSS myndast og breiðist út við brottnámsbrúnir og innan yfirborðs.
03
Endurgjöf yfirborðsformfræði
Við fjöl-púls femtósekúndna leysigeislun er myndun LIPSS ekki einföld yfirsetning á einu eðlissviði, heldur kraftmikið þróunarferli þar sem yfirborðsformgerð fyrri púlsa hefur víxlverkun við áhrif síðari púlsa. Mynd 2 sýnir þróun yfirborðsformfræði efnisins og samsvarandi staðbundna dreifingu rafsviðsins undir mörgum púlsum. Fyrir upphafspúlsinn (N=1) er rafsviðsdreifingin á sléttu efnisyfirborðinu jöfn til hliðar og sýnir aðallega standbylgjumynstur sem myndast af truflunum á innfalls- og endurkastsljósi. Þegar fjöldi púlsa eykst (N=20, N=30), þróast upphaflega slétt yfirborðið í grunnar brottnámsholur. Hið ó-plana viðmót brýtur samhverfu plansins og veitir dreifða-planbylgjuvektorhlutann, sem leiðir til veikrar SPP örvunar við-málmloftviðmótið. Eftir því sem fjöldi púlsa eykst enn frekar (N=40, N=50), virka reglubundnar grópar sem birtast sem áhrifaríkari dreifingarrist, sem leiðir til sterkari SPP tengingar. Eins og sýnt er á stækkaðri myndinni við N=50, myndar truflunin á milli SPP og síðari innfallsljóss staðbundna staðbundna rafsegulheita reitir innan grópanna, þar sem styrkleiki rafsviðsins er verulega hærri en styrkleiki innfallssviðsins.
Mynd 3 sýnir þróun yfirborðsformfræði efnisins og samsvarandi hámarkshitahitadreifingu grindar undir mismunandi fjölda púlsa (N=1-50). Á upphafsstigi (N=1-10) myndast brottnámsholur á flata yfirborðinu. Á þessum tíma er yfirborðshitastigið dreift mjúklega til hliðar og samsvarandi hitadreifing sýnir lágan og breiðan topp, sem endurspeglar Gaussdreifingu leysiorkunnar. Þegar fjöldi púlsa eykst (N=20-50) kemur smám saman mikil-andstæða reglubundin hitadreifing, í samræmi við tilkomu reglubundinna yfirborðsbygginga. Hæsti grindarhitinn safnast saman í dölum þessara reglubundnu mannvirkja en hitinn á tindunum helst tiltölulega lágur. Hitadreifingarreiturinn sýnir að eftir því sem púlsunum fjölgar verður amplitude þessarar hitamótunar meira áberandi og hámarkshitastigið eykst smám saman. Með því að sameina þetta við þróun rafsviðsdreifingarinnar sem sýnd er á mynd 2, er hægt að útskýra grindarhitadreifingu undir mörgum púlsum með rafsegulfræðilegri hitauppstreymiskerfi. Rafsegulheitir blettir sem staðsettir eru í dölunum mynda staðbundna ó-jafnvæga hitagjafa og mynda að lokum reglubundið grindarhitasvið sem samsvarar formgerð yfirborðsins.
04
Vökvaflæði á bræðslustigi
Femtósekúndu leysir púlsorka er flutt til grindarinnar með rafeinda-hljóðtengi. Þegar grindarhitastigið nær bræðslumarki myndast tímabundið bráðið lag á yfirborði efnisins. Síðari þróun LIPSS á píkósekúndna tímakvarða er stjórnað ekki aðeins með kyrrstöðueyðingu heldur einnig af vatnsaflsflutningi innan þessa bráðna lags. Í þessu líkani er tíðni fyrirfram skilgreind með rafsegulorkuútfellingu, en Marangoni streita og hrökkþrýstingur knýr fyrst og fremst endurdreifingu og fjarlægingu bráðna efnisins. Myndir 4, 5 og 6 sýna þróun vökvaflæðis á bræðslustigi fjöl-púlsferlis (N=20-40) þar sem reglubundin uppbygging þróast frá grunnu til djúps. Á þessu stigi hefur grindarhitastigið farið yfir bræðslumarkið en hefur ekki enn náð uppgufunarhitastigi. Á þessum þremur myndum tákna a1 og a2 toppa tímabilsbyggingarinnar, en a3 og a4 tákna lægðirnar. Eins og sést á mynd 4, á fyrstu stigum reglubundinnar byggingamyndunar (N=20), hefur reglubundið hitasvið verið komið á yfirborðinu og bylgjugerð byrjar að birtast. Á dalsvæðunum með hæsta hitastigið (mynd . 4(c)), knúið áfram af yfirborðsspennuhallanum, veldur Marangoni áhrifum þess að bráðinn yfirborðsvökvi flæðir á miklum hraða frá miðju dalsins til aðliggjandi tinda. Aftur á móti, á toppsvæðum með lægsta hitastigið (mynd . 4(b)), sést vökvi frá aðliggjandi dölum safnast saman og safnast upp. Samanburður á þessum svæðum leiðir í ljós-mikilhraða flæði í lægðunum og lághraða -samrennslisflæði í toppunum. Eins og sýnt er á flæðisviðinu á mynd . 4(b) og (c), veldur flæði yfirborðsvökvans í átt að toppunum bakstreymi dýpra í bráðnu lauginni og snýr aftur neðan frá tindinum í dalinn. Þessi samsetning ytra yfirborðsflæðis og innra botnflæðis sjálfs-skipuleggst í par af dæmigerðum Marangoni-hringjum innan hvers topps og dals reglubundinnar uppbyggingar. Með því að bera saman myndirnar má sjá á myndum . 4, 5 og 6 að eftir því sem dalirnir dýpka, er yfirborðsvökvinn bundinn smám saman innan þeirra (myndir . 4(c), 5(c) og 6(c)). Dýpri dalir samsvara sterkari staðbundnum rafsviðum og bæla þar með hliðarhitadreifingu frá dalnum til aðliggjandi tinda. Þetta leiðir til þess að brattari hitastig haldist innan dölanna. Þess vegna, þar sem kraftarnir sem knýja hreyfingu vökva eru háðir hitastigi, verða þessir kraftar í auknum mæli bundnir inni í dölunum. Frá sjónarhóli þess að fjölga púlsum þýðir þetta að orka síðari púlsa er notuð til að dýpka núverandi gróp, frekar en að eyða þegar mynduðum toppum eða byggja nýja mannvirki. Þar af leiðandi eykst hæðarmunur milli tinda og dala stöðugt, sem leiðir til smám saman dýpkunar á reglubundinni uppbyggingu.
05
Uppgerð staðfesting
Til að sýna myndunarferli reglubundinna yfirborðsmannvirkja sem knúin er áfram af samverkandi áhrifum rafseguláhrifa og vökvaflæðis við fjöl-púlsgeislun, var þróun yfirborðsformfræði sem sást í línulegu skönnunartilrauninni borin saman við niðurstöður endurtekna fjöleðlisfræðilíkanssins, eins og sýnt er á mynd 7. Á upphafsstigi efnisins í tilrauninni var uppsöfnun púls aðallega þakin tilviljunarkenndu yfirborði en ekki púls. myndast við brottnám-endurútfellingar og flutnings bráðna vökva. Í uppgerðinni notuðum við líkamlega samsvarandi upphafspunkt LIPSS þróunar, þ.e. leysir-ablation pits. Bæði handahófskenndar nanóagnir og brottnámsholur geta þjónað sem dreifingarmörk fyrir síðari púls og þar með spennandi SPP. Síðari púlsar koma á reglubundnu hitasviði á þessu ó-plana yfirborði í gegnum SPP truflun, sem knýr endurdreifingu bráðins efnis á þessu tímabili. Þá byrjar Marangoni kraftur og bakþrýstingur að knýja áfram endurdreifingu bráðins vökva og stuðlar þannig að myndun LIPSS.
Til að sannreyna betur niðurstöður hermisins var LIPSS undir eins-punkts femtósekúndu leysilýsingu borið saman við tölulegar hermirniðurstöður. Eins og sýnt er á mynd 8, sýna þeir tveir mikla samkvæmni í staðbundinni tíðni. Til að mæla þetta tímabil voru staðbundnar grátónaútlínur SEM myndarinnar dregnar út meðfram stefnu hornrétt á LIPSS, sem gefur að meðaltali um það bil 980 nm fyrir tilraunauppbygginguna. Mynd 8(b) sýnir herma þversniðslínur- á sama staðbundna mælikvarða. Með því að kortleggja eftirlíka yfirborðslínuna á SEM myndina á sömu hnitum og mælikvarða kom í ljós að staðsetningar tinda og dala sem líkjast eftir samsvara náið björtu og dökku röndunum á SEM myndinni. Hermt tímabil er um það bil 960 nm, sem er í frábæru samræmi við niðurstöður tilrauna sem mældar eru með útlínuaðferðinni.
06
Niðurstaða
Þessi rannsókn smíðaði fjöleðlisfræðilíkan sem byggir á rafsegulfræðikenningum, vökvavirknifræði og varmaeðlisfræðilegum eiginleikum efna með tölulegri uppgerð. Það útskýrði frá upphafi til enda myndun reglubundinna mannvirkja á málmyfirborði sem knúin er áfram af samverkandi áhrifum rafseguláhrifa og óstöðugleika vökvaflæðis við fjöl-púls femtósekúndu leysimeðferð. Með púlsendurteknum eftirlíkingum á yfirborði efnisins og samanburðargreiningu á niðurstöðum eftirlíkinga með tilraunaniðurstöðum, komumst við að þeirri niðurstöðu að myndun LIPSS sé afleiðing af samverkandi áhrifum rafsegul- og vökvavirkni.
Samspil femtósekúndu leysisins og efnisyfirborðsins, ef yfirborðið er gróft, örvar SPP sem trufla innfallsljósið. Þetta ferli myndar staðbundna og ó-jafnvæga orkuútfellingu á yfirborði efnisins. Við staðfestum að þessi nauðsynlegi yfirborðsgrófleiki getur verið brottnámsholur af völdum leysisins sjálfs, sem getur þjónað sem jaðarskilyrði fyrir spennandi SPP. Yfirborðsformgerðin sem myndast af fyrri púlsum virkar sem dreifingarrist fyrir síðari púls, sem bætir SPP tengiskilvirkni. Þegar þessi reglubundna orka hefur frásogast efnið breytist hún hratt í samsvarandi grindarhitastigssvið og myndar tímabundið bráðið lag á yfirborðinu. Þetta afar þunnt bráðna lag, undir áhrifum af reglubundnum hitastigli, er líkamlega mjög óstöðugt og virkjar þar með vökvaflutninga sem stjórnar flutningi efnisins. Á bráðnunarstiginu flytur Marangoni krafturinn, knúinn af yfirborðsspennu, bráðna vökvann frá háum-hitastökkum yfir í lág-hitatoppa, sem myndar há-fráviksflæði í trogunum og lághraða-samrennslisflæði í toppunum. Eftir því sem púlsunum fjölgar dýpka dalirnir smám saman og yfirborðsvökvinn er smám saman bundinn við dalirnar. Á uppgufunarstigi fylgir frekari hækkun á grindarhitastigi frekari aukning á bakþrýstingi. Á þessum tímapunkti virkar hrökkþrýstingur sem ríkjandi vélbúnaður sem knýr vökvann, notar sterkari kraft til að keyra vökvann frá yfirborði troganna niður á undir yfirborðið, á sama tíma og hann færir vökvann til hliðar á toppana.
