Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Interferensi laser langsung (DLIP) dikombinasikan dengan struktur permukaan periodik yang diinduksi laser (LIPSS) memungkinkan terciptanya permukaan fungsional untuk berbagai material.Throughput proses biasanya ditingkatkan dengan menggunakan daya laser rata-rata yang lebih tinggi.Namun hal ini menyebabkan penumpukan panas, yang mempengaruhi kekasaran dan bentuk pola permukaan yang dihasilkan.Oleh karena itu, perlu dikaji secara detail pengaruh suhu substrat terhadap morfologi elemen fabrikasi.Pada penelitian ini permukaan baja dipola garis dengan ps-DLIP pada 532 nm.Untuk menyelidiki pengaruh suhu substrat pada topografi yang dihasilkan, pelat pemanas digunakan untuk mengontrol suhu.Pemanasan hingga 250 \(^{\circ }\)С menyebabkan penurunan signifikan pada kedalaman struktur yang terbentuk dari 2,33 menjadi 1,06 µm.Penurunan ini dikaitkan dengan munculnya berbagai jenis LIPSS tergantung pada orientasi butir substrat dan oksidasi permukaan yang diinduksi laser.Studi ini menunjukkan pengaruh kuat suhu substrat, yang juga diperkirakan terjadi ketika perawatan permukaan dilakukan dengan daya laser rata-rata tinggi untuk menciptakan efek akumulasi panas.
Metode perawatan permukaan berdasarkan iradiasi laser pulsa ultrashort berada di garis depan ilmu pengetahuan dan industri karena kemampuannya untuk meningkatkan sifat permukaan material relevan yang paling penting1.Secara khusus, fungsionalitas permukaan khusus yang diinduksi laser merupakan yang tercanggih di berbagai sektor industri dan skenario aplikasi1,2,3.Misalnya, Vercillo dkk.Sifat anti-icing telah dibuktikan pada paduan titanium untuk aplikasi luar angkasa berdasarkan superhidrofobisitas yang diinduksi laser.Epperlein et al melaporkan bahwa fitur berukuran nano yang dihasilkan oleh penataan permukaan laser dapat mempengaruhi pertumbuhan atau penghambatan biofilm pada spesimen baja5.Selain itu, Guai dkk.juga meningkatkan sifat optik sel surya organik.6 Dengan demikian, penataan laser memungkinkan produksi elemen struktur resolusi tinggi dengan ablasi terkontrol pada material permukaan1.
Teknik penataan laser yang cocok untuk menghasilkan struktur permukaan periodik adalah pembentukan interferensi laser langsung (DLIP).DLIP didasarkan pada interferensi dekat permukaan dari dua atau lebih sinar laser untuk membentuk permukaan berpola dengan karakteristik dalam rentang mikrometer dan nanometer.Bergantung pada jumlah dan polarisasi sinar laser, DLIP dapat merancang dan membuat berbagai macam struktur permukaan topografi.Pendekatan yang menjanjikan adalah menggabungkan struktur DLIP dengan struktur permukaan periodik yang diinduksi laser (LIPSS) untuk menciptakan topografi permukaan dengan hierarki struktural yang kompleks8,9,10,11,12.Secara alami, hierarki ini telah terbukti memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan model skala tunggal13.
Fungsi LIPSS tunduk pada proses penguatan diri (umpan balik positif) berdasarkan peningkatan modulasi distribusi intensitas radiasi dekat permukaan.Hal ini disebabkan oleh peningkatan kekasaran nano seiring dengan bertambahnya jumlah pulsa laser yang diterapkan 14, 15, 16. Modulasi terjadi terutama karena interferensi gelombang yang dipancarkan dengan medan elektromagnetik15,17,18,19,20,21 yang dibiaskan dan komponen gelombang tersebar atau plasmon permukaan.Pembentukan LIPSS juga dipengaruhi oleh waktu denyutan22,23.Secara khusus, kekuatan laser rata-rata yang lebih tinggi sangat diperlukan untuk perawatan permukaan dengan produktivitas tinggi.Hal ini biasanya memerlukan penggunaan tingkat pengulangan yang tinggi, misalnya dalam rentang MHz.Akibatnya, jarak waktu antara pulsa laser menjadi lebih pendek, yang menyebabkan efek akumulasi panas 23, 24, 25, 26. Efek ini menyebabkan peningkatan suhu permukaan secara keseluruhan, yang secara signifikan dapat mempengaruhi mekanisme pola selama ablasi laser.
Dalam karya sebelumnya, Rudenko dkk.dan Tzibidis dkk.Mekanisme pembentukan struktur konvektif dibahas, yang akan menjadi semakin penting seiring dengan meningkatnya akumulasi panas19,27.Selain itu, Bauer dkk.Korelasikan jumlah kritis akumulasi panas dengan struktur permukaan mikron.Meskipun proses pembentukan struktur disebabkan oleh panas, secara umum diyakini bahwa produktivitas proses dapat ditingkatkan hanya dengan meningkatkan laju pengulangan28.Meskipun hal ini, pada gilirannya, tidak dapat dicapai tanpa peningkatan penyimpanan panas yang signifikan.Oleh karena itu, strategi proses yang menyediakan topologi bertingkat mungkin tidak dapat dibawa ke tingkat pengulangan yang lebih tinggi tanpa mengubah kinetika proses dan pembentukan struktur9,12.Berkaitan dengan hal tersebut, sangat penting untuk mengetahui bagaimana pengaruh suhu substrat terhadap proses pembentukan DLIP, terutama ketika membuat pola permukaan berlapis akibat pembentukan LIPSS secara simultan.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi pengaruh suhu substrat terhadap topografi permukaan yang dihasilkan selama pemrosesan DLIP baja tahan karat menggunakan pulsa ps.Selama pemrosesan laser, suhu substrat sampel dinaikkan hingga 250 \(^\circ\)C menggunakan pelat pemanas.Struktur permukaan yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan mikroskop confocal, pemindaian mikroskop elektron, dan spektroskopi sinar-X dispersif energi.
Pada percobaan seri pertama, substrat baja diproses menggunakan konfigurasi DLIP dua balok dengan periode spasial 4,5 µm dan suhu substrat \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C, selanjutnya disebut sebagai permukaan “tidak dipanaskan”.Dalam hal ini, tumpang tindih pulsa \(o_{\mathrm {p}}\) adalah jarak antara dua pulsa sebagai fungsi dari ukuran titik.Bervariasi dari 99,0% (100 pulsa per posisi) hingga 99,67% (300 pulsa per posisi).Dalam semua kasus, kepadatan energi puncak \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (untuk setara Gaussian tanpa gangguan) dan frekuensi pengulangan f = 200 kHz digunakan.Arah polarisasi sinar laser sejajar dengan pergerakan tabel penentuan posisi (Gbr. 1a)), yang sejajar dengan arah geometri linier yang diciptakan oleh pola interferensi dua sinar.Gambar representatif dari struktur yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) ditunjukkan pada Gambar.1a–c.Untuk mendukung analisis gambar SEM dalam hal topografi, transformasi Fourier (FFT, ditunjukkan dalam sisipan gelap) dilakukan pada struktur yang sedang dievaluasi.Dalam semua kasus, geometri DLIP yang dihasilkan terlihat dengan periode spasial 4,5 µm.
Untuk kasus \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% di area yang lebih gelap pada Gambar.1a, sesuai dengan posisi interferensi maksimum, seseorang dapat mengamati alur yang berisi struktur paralel yang lebih kecil.Mereka bergantian dengan pita terang yang tercakup dalam topografi mirip nanopartikel.Karena struktur paralel antara alur tampak tegak lurus terhadap polarisasi sinar laser dan memiliki periode \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm, sedikit kurang dari panjang gelombang laser \(\lambda\) (532 nm) dapat disebut LIPSS dengan frekuensi spasial rendah (LSFL-I)15,18.LSFL-I menghasilkan apa yang disebut sinyal tipe s di FFT, hamburan “s”15,20.Oleh karena itu, sinyal tegak lurus terhadap elemen vertikal pusat yang kuat, yang pada gilirannya dihasilkan oleh struktur DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4,5 µm).Sinyal yang dihasilkan oleh struktur linier pola DLIP pada gambar FFT disebut sebagai “tipe DLIP”.
Gambar SEM struktur permukaan dibuat menggunakan DLIP.Kepadatan energi puncaknya adalah \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0,5 J/cm\(^2\) (untuk setara Gaussian tanpa noise) dan tingkat pengulangan f = 200 kHz.Gambar menunjukkan suhu sampel, polarisasi dan overlay.Pergerakan fase lokalisasi ditandai dengan panah hitam pada (a).Sisipan hitam menunjukkan FFT terkait yang diperoleh dari gambar SEM 37,25\(\times\)37,25 µm (ditampilkan hingga vektor gelombang menjadi \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 nm).Parameter proses ditunjukkan pada setiap gambar.
Melihat lebih jauh ke dalam Gambar 1, Anda dapat melihat bahwa ketika tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat, sinyal sigmoid lebih terkonsentrasi ke arah sumbu x dari FFT.LSFL-I lainnya cenderung lebih paralel.Selain itu, intensitas relatif sinyal tipe s menurun dan intensitas sinyal tipe DLIP meningkat.Hal ini disebabkan oleh parit yang semakin menonjol dengan tumpang tindih yang lebih banyak.Selain itu, sinyal sumbu x antara tipe s dan pusat harus berasal dari struktur dengan orientasi yang sama seperti LSFL-I tetapi dengan periode yang lebih panjang (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1,4 ± 0,2 µm) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c).Oleh karena itu, diasumsikan formasinya berupa pola lubang-lubang di tengah parit.Fitur baru juga muncul pada rentang frekuensi tinggi (bilangan gelombang besar) ordinat.Sinyal tersebut berasal dari riak paralel di lereng parit, kemungkinan besar disebabkan oleh interferensi cahaya datang dan pantulan depan di lereng9,14.Berikut ini, riak-riak ini dilambangkan dengan LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \), dan sinyalnya – dengan tipe -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
Pada percobaan berikutnya, suhu sampel dinaikkan hingga 250 °C di bawah permukaan yang disebut “dipanaskan”.Penataan dilakukan sesuai dengan strategi pemrosesan yang sama seperti percobaan yang disebutkan di bagian sebelumnya (Gambar 1a-1c).Gambar SEM menggambarkan topografi yang dihasilkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d – f.Memanaskan sampel hingga 250 C menyebabkan peningkatan tampilan LSFL, yang arahnya sejajar dengan polarisasi laser.Struktur ini dapat dicirikan sebagai LSFL-II dan memiliki periode spasial \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) sebesar 247 ± 35 nm.Sinyal LSFL-II tidak ditampilkan di FFT karena frekuensi mode tinggi.Ketika \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat dari 99,0 menjadi 99,67\(\%\) (Gbr. 1d–e), lebar wilayah pita terang meningkat, yang menyebabkan munculnya sinyal DLIP untuk lebih dari frekuensi tinggi.bilangan gelombang (frekuensi lebih rendah) dan dengan demikian bergeser ke arah pusat FFT.Barisan lubang pada Gambar 1d mungkin merupakan pendahulu dari apa yang disebut alur yang terbentuk tegak lurus terhadap LSFL-I22,27.Selain itu, LSFL-II tampak menjadi lebih pendek dan bentuknya tidak beraturan.Perhatikan juga bahwa ukuran rata-rata pita terang dengan morfologi nanograin lebih kecil dalam kasus ini.Selain itu, distribusi ukuran nanopartikel ini ternyata lebih sedikit tersebar (atau menyebabkan lebih sedikit aglomerasi partikel) dibandingkan tanpa pemanasan.Secara kualitatif, hal ini dapat dinilai dengan membandingkan masing-masing gambar 1a, d atau b, e.
Ketika tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat hingga 99,67% (Gbr. 1f), topografi yang berbeda secara bertahap muncul karena alur yang semakin jelas.Namun, alur ini tampak kurang teratur dan kurang dalam dibandingkan pada Gambar 1c.Kontras rendah antara area terang dan gelap pada gambar terlihat dalam kualitas.Hasil ini selanjutnya didukung oleh sinyal ordinat FFT yang lebih lemah dan lebih tersebar pada Gambar. 1f dibandingkan dengan FFT pada c.Striae yang lebih kecil juga terlihat pada pemanasan ketika membandingkan Gambar 1b dan e, yang kemudian dikonfirmasi dengan mikroskop confocal.
Selain percobaan sebelumnya, polarisasi sinar laser diputar sebesar 90 \(^{\circ}\), yang menyebabkan arah polarisasi bergerak tegak lurus terhadap platform penentuan posisi.Pada gambar.Gambar 2a-c menunjukkan tahap awal pembentukan struktur, \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0% dalam kondisi tidak dipanaskan (a), dipanaskan (b) dan dipanaskan 90\(^{\ circ }\ ) – Kasus dengan polarisasi berputar (c).Untuk memvisualisasikan nanotopografi struktur, area yang ditandai dengan kotak berwarna ditunjukkan pada Gambar.2d, dalam skala yang diperbesar.
Gambar SEM struktur permukaan dibuat menggunakan DLIP.Parameter prosesnya sama seperti pada Gambar.1.Gambar menunjukkan suhu sampel \(T_s\), polarisasi dan tumpang tindih pulsa \(o_\mathrm {p}\).Sisipan hitam sekali lagi menunjukkan transformasi Fourier yang sesuai.Gambar pada (d)-(i) merupakan perbesaran pada area yang ditandai pada (a)-(c).
Dalam hal ini, dapat dilihat bahwa struktur di area yang lebih gelap pada Gambar 2b,c sensitif terhadap polarisasi dan oleh karena itu diberi label LSFL-II14, 20, 29, 30. Khususnya, orientasi LSFL-I juga diputar ( Gambar 2g, i), yang dapat dilihat dari orientasi sinyal tipe s pada FFT yang bersangkutan.Bandwidth periode LSFL-I tampak lebih besar dibandingkan periode b, dan jangkauannya bergeser ke periode yang lebih kecil pada Gambar. 2c, seperti yang ditunjukkan oleh sinyal tipe-s yang lebih luas.Dengan demikian, periode spasial LSFL berikut dapat diamati pada sampel pada suhu pemanasan yang berbeda: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm pada 21 ^{ \circ }\ )C (Gbr. 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm dan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 nm pada 250°C (Gbr. 2b) untuk polarisasi s.Sebaliknya, periode spasial polarisasi p dan 250 \(^{\circ }\)C sama dengan \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm dan \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (Gbr. 2c).
Khususnya, hasil penelitian menunjukkan bahwa hanya dengan meningkatkan suhu sampel, morfologi permukaan dapat berubah antara dua ekstrem, termasuk (i) permukaan yang hanya mengandung elemen LSFL-I dan (ii) area yang ditutupi LSFL-II.Karena pembentukan LIPSS jenis khusus ini pada permukaan logam dikaitkan dengan lapisan oksida permukaan, analisis sinar-X dispersif energi (EDX) dilakukan.Tabel 1 merangkum hasil yang diperoleh.Setiap penentuan dilakukan dengan rata-rata minimal empat spektrum pada tempat berbeda pada permukaan sampel yang diproses.Pengukuran dilakukan pada suhu sampel berbeda \(T_\mathrm{s}\) dan posisi berbeda pada permukaan sampel yang mengandung area tidak terstruktur atau terstruktur.Pengukuran juga berisi informasi tentang lapisan terdalam yang tidak teroksidasi yang terletak tepat di bawah area cair yang diolah, namun dalam kedalaman penetrasi elektron dari analisis EDX.Namun, perlu dicatat bahwa EDX terbatas kemampuannya dalam mengukur kandungan oksigen, sehingga nilai-nilai ini di sini hanya dapat memberikan penilaian kualitatif.
Bagian sampel yang tidak diberi perlakuan tidak menunjukkan jumlah oksigen yang signifikan pada semua suhu pengoperasian.Setelah perawatan laser, kadar oksigen meningkat pada semua kasus31.Perbedaan komposisi unsur antara dua sampel yang tidak diolah seperti yang diharapkan untuk sampel baja komersial, dan ditemukan nilai karbon yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan lembar data pabrikan untuk baja AISI 304 karena kontaminasi hidrokarbon32.
Sebelum membahas kemungkinan alasan penurunan kedalaman ablasi alur dan transisi dari LSFL-I ke LSFL-II, digunakan kepadatan spektral daya (PSD) dan profil ketinggian.
(i) Kerapatan spektral daya ternormalisasi kuasi-dua dimensi (Q2D-PSD) permukaan ditunjukkan sebagai gambar SEM pada Gambar 1 dan 2. 1 dan 2. Karena PSD dinormalisasi, penurunan sinyal penjumlahan seharusnya menjadi dipahami sebagai peningkatan bagian konstan (k \(\le\) 0,7 µm\(^{-1}\), tidak ditampilkan), yaitu kehalusan.(ii) Profil tinggi permukaan rata-rata yang sesuai.Suhu sampel \(T_s\), tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\), dan polarisasi laser E relatif terhadap orientasi \(\vec {v}\) pergerakan platform pemosisian ditampilkan di semua plot.
Untuk mengukur kesan gambar SEM, rata-rata spektrum daya yang dinormalisasi dihasilkan dari setidaknya tiga gambar SEM untuk setiap parameter yang ditetapkan dengan rata-rata semua kepadatan spektral daya (PSD) satu dimensi (1D) dalam arah x atau y.Grafik yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 3i yang menunjukkan pergeseran frekuensi sinyal dan kontribusi relatifnya terhadap spektrum.
Pada gambar.3ia, c, e, puncak DLIP tumbuh mendekati \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4,5 µm)\(^{-1}\) = 1,4 µm \ ( ^{- 1}\) atau harmonik yang lebih tinggi seiring bertambahnya tumpang tindih \(o_{\mathrm {p))\).Peningkatan amplitudo fundamental dikaitkan dengan perkembangan struktur LRIB yang lebih kuat.Amplitudo harmonik yang lebih tinggi meningkat seiring dengan kecuraman lereng.Untuk fungsi persegi panjang sebagai kasus pembatas, pendekatannya memerlukan jumlah frekuensi terbesar.Oleh karena itu, puncak sekitar 1,4 µm\(^{-1}\) di PSD dan harmonik yang sesuai dapat digunakan sebagai parameter kualitas untuk bentuk alur.
Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(i)b,d,f, PSD dari sampel yang dipanaskan menunjukkan puncak yang lebih lemah dan lebih luas dengan sinyal yang lebih sedikit pada harmonik masing-masing.Selain itu, pada gambar.Gambar 3(i)f menunjukkan bahwa sinyal harmonik kedua bahkan melebihi sinyal fundamental.Hal ini mencerminkan struktur DLIP yang lebih tidak teratur dan kurang jelas pada sampel yang dipanaskan (dibandingkan dengan \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).Fitur lainnya adalah ketika tumpang tindih \(o_{\mathrm {p}}\) meningkat, sinyal LSFL-I yang dihasilkan bergeser ke arah bilangan gelombang yang lebih kecil (periode lebih panjang).Hal ini dapat dijelaskan dengan meningkatnya kecuraman tepi mode DLIP dan peningkatan lokal terkait pada sudut datang14,33.Mengikuti tren ini, perluasan sinyal LSFL-I juga dapat dijelaskan.Selain lereng yang curam, terdapat juga daerah datar di bagian bawah dan atas puncak struktur DLIP, sehingga memungkinkan rentang periode LSFL-I yang lebih luas.Untuk bahan dengan daya serap tinggi, periode LSFL-I biasanya diperkirakan sebagai:
di mana \(\theta\) adalah sudut datang, dan subskrip s dan p mengacu pada polarisasi yang berbeda33.
Perlu dicatat bahwa bidang datang untuk pengaturan DLIP biasanya tegak lurus terhadap pergerakan platform pemosisian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 (lihat bagian Bahan dan Metode).Oleh karena itu, polarisasi s, pada umumnya, sejajar dengan pergerakan panggung, dan polarisasi p tegak lurus terhadapnya.Menurut persamaan.(1), untuk polarisasi s, diharapkan terjadi penyebaran dan pergeseran sinyal LSFL-I ke arah bilangan gelombang yang lebih kecil.Hal ini disebabkan oleh peningkatan \(\theta\) dan rentang sudut \(\theta \pm \delta \theta\) seiring dengan bertambahnya kedalaman parit.Hal ini dapat dilihat dengan membandingkan puncak LSFL-I pada Gambar 3ia,c,e.
Menurut hasil yang ditunjukkan pada gambar.1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) juga terlihat di PSD yang sesuai pada gambar.3ie.Pada gambar.3ig,h menunjukkan PSD untuk polarisasi p.Perbedaan puncak DLIP lebih nyata antara sampel yang dipanaskan dan tidak dipanaskan.Dalam hal ini, sinyal dari LSFL-I tumpang tindih dengan harmonik yang lebih tinggi dari puncak DLIP, menambah sinyal di dekat panjang gelombang penguat.
Untuk membahas hasil lebih detail, pada Gambar 3ii menunjukkan kedalaman struktural dan tumpang tindih antara pulsa distribusi ketinggian linier DLIP pada berbagai temperatur.Profil tinggi vertikal permukaan diperoleh dengan rata-rata sepuluh profil tinggi vertikal individu di sekitar pusat struktur DLIP.Untuk setiap suhu yang diterapkan, kedalaman struktur meningkat seiring dengan meningkatnya tumpang tindih pulsa.Profil sampel yang dipanaskan menunjukkan alur dengan nilai rata-rata puncak ke puncak (pvp) sebesar 0,87 µm untuk polarisasi s dan 1,06 µm untuk polarisasi p.Sebaliknya, polarisasi s dan polarisasi p pada sampel yang tidak dipanaskan menunjukkan pvp masing-masing sebesar 1,75 µm dan 2,33 µm.Pvp yang sesuai digambarkan dalam profil ketinggian pada gambar.3ii.Setiap rata-rata PvP dihitung dengan rata-rata delapan PvP tunggal.
Selain itu, pada gambar.Gambar 3iig,h menunjukkan distribusi ketinggian p-polarisasi yang tegak lurus terhadap sistem penentuan posisi dan pergerakan alur.Arah polarisasi p mempunyai pengaruh positif terhadap kedalaman alur karena menghasilkan pvp yang sedikit lebih tinggi pada 2,33 µm dibandingkan dengan polarisasi s pada 1,75 µm pvp.Hal ini pada gilirannya sesuai dengan alur dan pergerakan sistem platform penentuan posisi.Efek ini dapat disebabkan oleh struktur yang lebih kecil pada kasus polarisasi s dibandingkan dengan kasus polarisasi p (lihat Gambar 2f,h), yang akan dibahas lebih lanjut pada bagian berikutnya.
Tujuan pembahasan adalah untuk menjelaskan penurunan kedalaman alur akibat perubahan kelas utama LIPS (LSFL-I menjadi LSFL-II) pada kasus sampel yang dipanaskan.Jadi jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut:
Untuk menjawab pertanyaan pertama, perlu dipertimbangkan mekanisme yang bertanggung jawab dalam pengurangan ablasi.Untuk denyut nadi tunggal pada kejadian normal, kedalaman ablasi dapat digambarkan sebagai:
di mana \(\delta _{\mathrm {E}}\) adalah kedalaman penetrasi energi, \(\Phi\) dan \(\Phi _{\mathrm {th}}\) adalah fluensi serapan dan fluensi Ablasi ambang batas, masing-masing34 .
Secara matematis, kedalaman penetrasi energi mempunyai efek multiplikatif terhadap kedalaman ablasi, sedangkan perubahan energi mempunyai efek logaritmik.Jadi perubahan fluensi tidak mempengaruhi \(\Delta z\) selama \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).Namun, oksidasi kuat (misalnya karena pembentukan kromium oksida) menghasilkan ikatan Cr-O35 yang lebih kuat dibandingkan ikatan Cr-Cr, sehingga meningkatkan ambang ablasi.Akibatnya, \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) tidak lagi terpenuhi, yang menyebabkan penurunan cepat pada kedalaman ablasi dengan menurunnya kerapatan fluks energi.Selain itu, korelasi antara bilangan oksidasi dan periode LSFL-II diketahui, yang dapat dijelaskan oleh perubahan struktur nano itu sendiri dan sifat optik permukaan yang disebabkan oleh oksidasi permukaan30,35.Oleh karena itu, distribusi permukaan yang tepat dari fluensi serapan \(\Phi\) disebabkan oleh dinamika interaksi yang kompleks antara periode struktural dan ketebalan lapisan oksida.Tergantung pada periodenya, struktur nano sangat mempengaruhi distribusi fluks energi yang diserap karena peningkatan tajam di lapangan, eksitasi plasmon permukaan, transfer atau hamburan cahaya yang luar biasa17,19,20,21.Oleh karena itu, \(\Phi\) sangat tidak homogen di dekat permukaan, dan \(\delta _ {E}\) mungkin tidak mungkin lagi dilakukan dengan satu koefisien serapan \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \kira-kira \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) untuk seluruh volume dekat permukaan.Karena ketebalan film oksida sangat bergantung pada waktu pemadatan [26], efek tata nama bergantung pada suhu sampel.Mikrograf optik yang ditunjukkan pada Gambar S1 pada Bahan Tambahan menunjukkan perubahan sifat optik.
Efek ini sebagian menjelaskan kedalaman parit yang lebih dangkal pada kasus struktur permukaan kecil pada Gambar 1d,e dan 2b,c dan 3(ii)b,d,f.
LSFL-II diketahui terbentuk pada semikonduktor, dielektrik, dan material yang rentan terhadap oksidasi14,29,30,36,37.Dalam kasus terakhir, ketebalan lapisan oksida permukaan sangatlah penting30.Analisis EDX yang dilakukan mengungkapkan pembentukan oksida permukaan pada permukaan terstruktur.Jadi, untuk sampel yang tidak dipanaskan, oksigen sekitar tampaknya berkontribusi terhadap pembentukan sebagian partikel gas dan sebagian pembentukan oksida permukaan.Kedua fenomena tersebut memberikan kontribusi yang signifikan terhadap proses ini.Sebaliknya, untuk sampel yang dipanaskan, oksida logam dengan berbagai bilangan oksidasi (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO, dll.) jelas mendukung.Selain lapisan oksida yang diperlukan, adanya kekasaran sub-panjang gelombang, terutama LIPSS frekuensi spasial tinggi (HSFL), diperlukan untuk membentuk mode intensitas sub-panjang gelombang (tipe-d) yang diperlukan14,30.Mode intensitas LSFL-II akhir adalah fungsi dari amplitudo HSFL dan ketebalan oksida.Alasan untuk mode ini adalah interferensi medan jauh dari cahaya yang dihamburkan oleh HSFL dan cahaya dibiaskan ke dalam material dan merambat di dalam permukaan material dielektrik20,29,30.Gambar SEM dari pola tepi permukaan pada Gambar S2 di bagian Bahan Pelengkap merupakan indikasi HSFL yang sudah ada sebelumnya.Wilayah terluar ini sedikit dipengaruhi oleh distribusi intensitas pinggiran, yang memungkinkan terbentuknya HSFL.Karena simetri distribusi intensitas, efek ini juga terjadi sepanjang arah pemindaian.
Pemanasan sampel mempengaruhi proses pembentukan LSFL-II dalam beberapa cara.Di satu sisi, peningkatan suhu sampel \(T_\mathrm{s}\) memiliki efek yang jauh lebih besar pada laju pemadatan dan pendinginan dibandingkan ketebalan lapisan cair26.Dengan demikian, antarmuka cairan dari sampel yang dipanaskan terkena oksigen sekitar untuk jangka waktu yang lebih lama.Selain itu, pemadatan tertunda memungkinkan berkembangnya proses konvektif kompleks yang meningkatkan pencampuran oksigen dan oksida dengan baja cair26.Hal ini dapat ditunjukkan dengan membandingkan ketebalan lapisan oksida yang terbentuk hanya melalui difusi (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) Waktu koagulasi yang sesuai adalah \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns, dan koefisien difusi \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) Ketebalan yang jauh lebih tinggi diamati atau dibutuhkan dalam formasi LSFL-II30.Di sisi lain, pemanasan juga mempengaruhi pembentukan HSFL dan karenanya diperlukan objek hamburan untuk bertransisi ke mode intensitas tipe-d LSFL-II.Paparan nanovoid yang terperangkap di bawah permukaan menunjukkan keterlibatannya dalam pembentukan HSFL39.Cacat ini mungkin mewakili asal elektromagnetik HSFL karena pola intensitas periodik frekuensi tinggi yang diperlukan14,17,19,29.Selain itu, mode intensitas yang dihasilkan ini lebih seragam dengan sejumlah besar nanovoids19.Dengan demikian, alasan peningkatan kejadian HSFL dapat dijelaskan oleh perubahan dinamika cacat kristal seiring dengan peningkatan \(T_\mathrm{s}\).
Baru-baru ini telah ditunjukkan bahwa laju pendinginan silikon merupakan parameter kunci untuk supersaturasi interstisial intrinsik dan dengan demikian untuk akumulasi cacat titik dengan pembentukan dislokasi40,41.Simulasi dinamika molekul logam murni telah menunjukkan bahwa kekosongan menjadi lewat jenuh selama rekristalisasi cepat, dan karenanya akumulasi kekosongan dalam logam berlangsung dengan cara yang sama42,43,44.Selain itu, studi eksperimental perak baru-baru ini berfokus pada mekanisme pembentukan rongga dan cluster akibat akumulasi cacat titik45.Oleh karena itu, peningkatan suhu sampel \(T_\mathrm {s}\) dan akibatnya penurunan laju pendinginan dapat mempengaruhi pembentukan rongga yang merupakan inti HSFL.
Jika kekosongan merupakan awal terjadinya gigi berlubang dan karenanya HSFL, suhu sampel \(T_s\) seharusnya mempunyai dua efek.Di satu sisi, \(T_s\) mempengaruhi laju rekristalisasi dan, akibatnya, konsentrasi cacat titik (konsentrasi kekosongan) dalam kristal yang tumbuh.Di sisi lain juga mempengaruhi laju pendinginan setelah pemadatan sehingga mempengaruhi difusi cacat titik pada kristal 40,41.Selain itu, laju solidifikasi bergantung pada orientasi kristalografi dan karenanya sangat anisotropik, seperti halnya difusi titik cacat42,43.Menurut premis ini, karena respons anisotropik material, interaksi cahaya dan materi menjadi anisotropik, yang pada gilirannya memperkuat pelepasan energi periodik deterministik ini.Untuk material polikristalin, perilaku ini dapat dibatasi oleh ukuran butiran tunggal.Faktanya, pembentukan LIPSS telah dibuktikan bergantung pada orientasi butir46,47.Oleh karena itu, pengaruh suhu sampel \(T_s\) terhadap laju kristalisasi mungkin tidak sekuat pengaruh orientasi butir.Dengan demikian, orientasi kristalografi yang berbeda dari butiran yang berbeda memberikan penjelasan potensial untuk peningkatan rongga dan agregasi HSFL atau LSFL-II.
Untuk memperjelas indikasi awal hipotesis ini, sampel mentah digores untuk mengungkap pembentukan butiran di dekat permukaan.Perbandingan biji-bijian pada gambar.S3 ditampilkan pada materi pelengkap.Selain itu, LSFL-I dan LSFL-II muncul berkelompok pada sampel yang dipanaskan.Ukuran dan geometri cluster ini sesuai dengan ukuran butir.
Selain itu, HSFL hanya terjadi dalam kisaran sempit pada kepadatan fluks rendah karena asal usulnya yang konvektif19,29,48.Oleh karena itu, dalam percobaan, hal ini mungkin hanya terjadi pada pinggiran profil balok.Oleh karena itu, HSFL terbentuk pada permukaan yang tidak teroksidasi atau teroksidasi lemah, yang menjadi jelas ketika membandingkan fraksi oksida sampel yang diberi perlakuan dan yang tidak diberi perlakuan (lihat tabel reftab: contoh).Hal ini menegaskan asumsi bahwa lapisan oksida sebagian besar diinduksi oleh laser.
Mengingat bahwa pembentukan LIPSS biasanya bergantung pada jumlah pulsa akibat umpan balik antar-pulsa, HSFL dapat digantikan oleh struktur yang lebih besar seiring dengan meningkatnya tumpang tindih pulsa19.HSFL yang kurang teratur menghasilkan pola intensitas yang kurang teratur (mode-d) yang diperlukan untuk pembentukan LSFL-II.Oleh karena itu, ketika tumpang tindih \(o_\mathrm {p}\) meningkat (lihat Gambar 1 dari de), keteraturan LSFL-II menurun.
Penelitian ini menyelidiki pengaruh suhu substrat pada morfologi permukaan baja tahan karat yang diberi perlakuan DLIP berstruktur laser.Telah ditemukan bahwa pemanasan substrat dari 21 hingga 250°C menyebabkan penurunan kedalaman ablasi dari 1,75 menjadi 0,87 µm pada polarisasi s dan dari 2,33 menjadi 1,06 µm pada polarisasi p.Penurunan ini disebabkan oleh perubahan tipe LIPSS dari LSFL-I menjadi LSFL-II, yang berhubungan dengan lapisan oksida permukaan yang diinduksi laser pada suhu sampel yang lebih tinggi.Selain itu, LSFL-II dapat meningkatkan fluks ambang batas karena peningkatan oksidasi.Diasumsikan bahwa dalam sistem teknologi dengan tumpang tindih pulsa yang tinggi, kepadatan energi rata-rata dan laju pengulangan rata-rata, terjadinya LSFL-II juga ditentukan oleh perubahan dinamika dislokasi yang disebabkan oleh pemanasan sampel.Agregasi LSFL-II dihipotesiskan disebabkan oleh pembentukan nanovoid yang bergantung pada orientasi butir, yang mengarah ke HSFL sebagai pendahulu LSFL-II.Selain itu, pengaruh arah polarisasi terhadap periode struktural dan bandwidth periode struktural dipelajari.Ternyata p-polarisasi lebih efisien untuk proses DLIP dalam hal kedalaman ablasi.Secara keseluruhan, penelitian ini mengungkap serangkaian parameter proses untuk mengontrol dan mengoptimalkan kedalaman ablasi DLIP untuk menciptakan pola permukaan yang disesuaikan.Terakhir, transisi dari LSFL-I ke LSFL-II seluruhnya didorong oleh panas dan sedikit peningkatan laju pengulangan diperkirakan terjadi dengan tumpang tindih pulsa yang konstan karena peningkatan penumpukan panas24.Semua aspek ini relevan dengan tantangan mendatang dalam memperluas proses DLIP, misalnya melalui penggunaan sistem pemindaian poligonal49.Untuk meminimalkan penumpukan panas, strategi berikut dapat diikuti: pertahankan kecepatan pemindaian pemindai poligonal setinggi mungkin, manfaatkan ukuran titik laser yang lebih besar, ortogonal terhadap arah pemindaian, dan gunakan ablasi yang optimal.fluence 28. Selain itu, ide-ide ini memungkinkan terciptanya topografi hierarki yang kompleks untuk fungsionalisasi permukaan tingkat lanjut menggunakan DLIP.
Dalam penelitian ini, digunakan pelat baja tahan karat yang dipoles secara elektro (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) dengan tebal 0,8 mm.Untuk menghilangkan kontaminan dari permukaan, sampel dicuci secara hati-hati dengan etanol sebelum perawatan laser (konsentrasi absolut etanol \(\ge\) 99,9%).
Pengaturan DLIP ditunjukkan pada Gambar 4. Sampel dibuat menggunakan sistem DLIP yang dilengkapi dengan sumber laser berdenyut ultrapendek 12 ps dengan panjang gelombang 532 nm dan tingkat pengulangan maksimum 50 MHz.Distribusi spasial energi pancaran adalah Gaussian.Optik yang dirancang khusus menyediakan konfigurasi interferometri berkas ganda untuk membuat struktur linier pada sampel.Sebuah lensa dengan panjang fokus 100 mm menempatkan dua sinar laser tambahan pada permukaan pada sudut tetap 6,8\(^\circ\), yang menghasilkan periode spasial sekitar 4,5 µm.Informasi lebih lanjut tentang pengaturan eksperimental dapat ditemukan di tempat lain50.
Sebelum pemrosesan laser, sampel ditempatkan pada pelat pemanas pada suhu tertentu.Suhu pelat pemanas diatur pada 21 dan 250°C.Dalam semua percobaan, pancaran udara bertekanan melintang digunakan dalam kombinasi dengan perangkat pembuangan untuk mencegah pengendapan debu pada optik.Sistem tahapan x,y diatur untuk memposisikan sampel selama penataan.
Kecepatan sistem tahap pemosisian divariasikan dari 66 hingga 200 mm/s untuk mendapatkan tumpang tindih antara pulsa masing-masing sebesar 99,0 hingga 99,67 \(\%\).Dalam semua kasus, tingkat pengulangan ditetapkan pada 200 kHz, dan daya rata-rata adalah 4 W, yang memberikan energi per pulsa sebesar 20 μJ.Diameter sinar yang digunakan dalam percobaan DLIP adalah sekitar 100 µm, dan kepadatan energi laser puncak yang dihasilkan adalah 0,5 J/cm\(^{2}\).Energi total yang dilepaskan per satuan luas adalah puncak fluensi kumulatif yang setara dengan 50 J/cm\(^2\) untuk \(o_{\mathrm {p}}\) = 99,0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) untuk \(o_{\mathrm {p))\)=99,5\(\%\) dan 150 J/cm\(^2\) untuk \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99,67 \(\%\).Gunakan pelat \(\lambda\)/2 untuk mengubah polarisasi sinar laser.Untuk setiap kumpulan parameter yang digunakan, area sekitar 35 × 5 mm\(^{2}\) diberi tekstur pada sampel.Semua eksperimen terstruktur dilakukan dalam kondisi sekitar untuk memastikan penerapan industri.
Morfologi sampel diperiksa menggunakan mikroskop confocal dengan perbesaran 50x dan resolusi optik dan vertikal masing-masing 170 nm dan 3 nm.Data topografi yang dikumpulkan kemudian dievaluasi menggunakan perangkat lunak analisis permukaan.Ekstrak profil dari data medan menurut ISO 1661051.
Sampel juga dikarakterisasi menggunakan mikroskop elektron pemindaian pada tegangan percepatan 6,0 kV.Komposisi kimia permukaan sampel dievaluasi menggunakan lampiran spektroskopi sinar-X (EDS) dispersif energi pada tegangan percepatan 15 kV.Selain itu, mikroskop optik dengan objektif 50x digunakan untuk mengetahui morfologi granular struktur mikro sampel. Sebelumnya, sampel digores pada suhu konstan 50 \(^\circ\)C selama lima menit dalam pewarnaan baja tahan karat dengan konsentrasi asam klorida dan asam nitrat 15–20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \(\%\), masing-masing. Sebelumnya, sampel digores pada suhu konstan 50 \(^\circ\)C selama lima menit dalam pewarnaan baja tahan karat dengan konsentrasi asam klorida dan asam nitrat 15–20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \(\%\), masing-masing. Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пятиут в краске из нержаве ющей стали соляной dan азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) dan 1\( -<\)5 \( \%\) benar. Sebelumnya, sampel digores pada suhu konstan 50 \(^\circ\)C selama lima menit dalam cat baja tahan karat dengan asam klorida dan asam nitrat dengan konsentrasi 15-20 \(\%\) dan 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,盐酸和硝酸浓度为15–20 \(\%\) 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。Sebelumnya, sampel direndam selama lima menit pada suhu konstan 50 \(^\circ\)C dalam larutan pewarna baja tahan karat dengan konsentrasi asam klorida dan asam nitrat 15-20 \(\%\) dan 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) masing-masing.
Diagram skema pengaturan eksperimental pengaturan DLIP dua sinar, termasuk (1) sinar laser, (2) pelat \(\lambda\)/2, (3) kepala DLIP dengan konfigurasi optik tertentu, (4 ) pelat panas, (5) fluida silang, (6) langkah penentuan posisi x,y dan (7) benda uji baja tahan karat.Dua balok yang ditumpangkan, dilingkari merah di sebelah kiri, membuat struktur linier pada sampel pada sudut \(2\theta\) (termasuk polarisasi s dan p).
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis dalam penelitian ini tersedia dari masing-masing penulis berdasarkan permintaan yang masuk akal.
Waktu posting: 07 Januari 2023