ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
การรบกวนด้วยเลเซอร์โดยตรง (DLIP) รวมกับโครงสร้างพื้นผิวเป็นระยะที่เกิดจากเลเซอร์ (LIPSS) ช่วยให้สามารถสร้างพื้นผิวที่ใช้งานได้สำหรับวัสดุต่างๆโดยปกติปริมาณงานของกระบวนการจะเพิ่มขึ้นโดยใช้กำลังเลเซอร์เฉลี่ยที่สูงขึ้นอย่างไรก็ตาม สิ่งนี้นำไปสู่การสะสมของความร้อน ซึ่งส่งผลต่อความหยาบและรูปร่างของลวดลายพื้นผิวที่เกิดขึ้นดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับอิทธิพลของอุณหภูมิของพื้นผิวที่มีต่อสัณฐานวิทยาขององค์ประกอบที่ประดิษฐ์ขึ้นในการศึกษานี้ พื้นผิวเหล็กมีลวดลายเป็นเส้นด้วย ps-DLIP ที่ 532 นาโนเมตรเพื่อตรวจสอบผลกระทบของอุณหภูมิของพื้นผิวต่อภูมิประเทศที่ได้ มีการใช้แผ่นทำความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิการให้ความร้อนถึง 250 \(^{\circ }\)С ส่งผลให้ความลึกของโครงสร้างที่เกิดขึ้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญจาก 2.33 เป็น 1.06 µmการลดลงมีความสัมพันธ์กับการปรากฏตัวของ LIPSS ประเภทต่างๆ ขึ้นอยู่กับการวางแนวของเกรนของสารตั้งต้นและการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวที่เกิดจากเลเซอร์การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่รุนแรงของอุณหภูมิของพื้นผิว ซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นเมื่อทำการรักษาพื้นผิวด้วยกำลังเลเซอร์เฉลี่ยสูง เพื่อสร้างผลกระทบจากการสะสมความร้อน
วิธีการรักษาพื้นผิวโดยใช้การฉายรังสีด้วยเลเซอร์พัลส์สั้นเกินขีดถือเป็นแนวหน้าของวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม เนื่องจากความสามารถในการปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของวัสดุที่เกี่ยวข้องที่สำคัญที่สุด1โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟังก์ชั่นพื้นผิวแบบกำหนดเองที่เกิดจากเลเซอร์นั้นล้ำสมัยในภาคอุตสาหกรรมและสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลาย1,2,3ตัวอย่างเช่น Vercillo และคณะคุณสมบัติต้านการเกิดน้ำแข็งได้รับการพิสูจน์แล้วบนโลหะผสมไททาเนียมสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศโดยอาศัยความเป็นซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิซิตี้ที่เกิดจากเลเซอร์Epperlein และคณะ รายงานว่าคุณสมบัติขนาดนาโนที่เกิดจากโครงสร้างพื้นผิวด้วยเลเซอร์สามารถมีอิทธิพลต่อการเจริญเติบโตหรือการยับยั้งของฟิล์มชีวะในตัวอย่างเหล็กนอกจากนี้ Guai และคณะยังปรับปรุงคุณสมบัติทางแสงของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์อีกด้วย6 ดังนั้น โครงสร้างเลเซอร์ช่วยให้สามารถผลิตองค์ประกอบโครงสร้างที่มีความละเอียดสูงโดยการควบคุมการระเหยของวัสดุพื้นผิว1
เทคนิคการจัดโครงสร้างด้วยเลเซอร์ที่เหมาะสมสำหรับการสร้างโครงสร้างพื้นผิวตามระยะเวลาดังกล่าวคือ การสร้างรูปร่างด้วยการรบกวนด้วยเลเซอร์โดยตรง (DLIP)DLIP ขึ้นอยู่กับการรบกวนพื้นผิวใกล้ของลำแสงเลเซอร์ตั้งแต่สองลำขึ้นไป เพื่อสร้างพื้นผิวที่มีลวดลายโดยมีลักษณะเฉพาะในช่วงไมโครมิเตอร์และนาโนเมตรขึ้นอยู่กับจำนวนและโพลาไรเซชันของลำแสงเลเซอร์ DLIP สามารถออกแบบและสร้างโครงสร้างพื้นผิวภูมิประเทศได้หลากหลายแนวทางที่มีแนวโน้มคือการรวมโครงสร้าง DLIP เข้ากับโครงสร้างพื้นผิวเป็นระยะที่เกิดจากเลเซอร์ (LIPSS) เพื่อสร้างภูมิประเทศของพื้นผิวที่มีลำดับชั้นโครงสร้างที่ซับซ้อนโดยธรรมชาติแล้ว ลำดับชั้นเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าให้ประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นกว่าโมเดลขนาดเดียว13
ฟังก์ชัน LIPSS อยู่ภายใต้กระบวนการขยายตัวเอง (ป้อนกลับเชิงบวก) โดยอาศัยการปรับการกระจายความเข้มของรังสีบริเวณใกล้พื้นผิวที่เพิ่มขึ้นนี่เป็นเพราะการเพิ่มขึ้นของความหยาบระดับนาโนเมื่อจำนวนพัลส์เลเซอร์ที่ใช้เพิ่มขึ้น 14, 15, 16 การมอดูเลตเกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากการรบกวนของคลื่นที่ปล่อยออกมากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า 15,17,18,19,20,21 ของการหักเหและ ส่วนประกอบของคลื่นกระจัดกระจายหรือพลาสมอนที่พื้นผิวการก่อตัวของ LIPSS ยังได้รับผลกระทบจากจังหวะของพัลส์22,23 อีกด้วยโดยเฉพาะอย่างยิ่ง กำลังเลเซอร์โดยเฉลี่ยที่สูงกว่านั้นเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการรักษาพื้นผิวที่ให้ผลผลิตสูงโดยปกติต้องใช้อัตราการเกิดซ้ำสูง เช่น ในช่วง MHzด้วยเหตุนี้ ระยะห่างระหว่างพัลส์เลเซอร์จึงสั้นลง ซึ่งส่งผลให้เกิดการสะสมความร้อน 23, 24, 25, 26 ผลกระทบนี้ส่งผลให้อุณหภูมิพื้นผิวโดยรวมเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกลไกการสร้างลวดลายในระหว่างการระเหยด้วยเลเซอร์
ในงานก่อนหน้านี้ Rudenko และคณะและ Tzibidis และคณะมีการหารือเกี่ยวกับกลไกในการก่อตัวของโครงสร้างการพาความร้อน ซึ่งจะมีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากการสะสมความร้อนเพิ่มขึ้นนอกจากนี้ Bauer และคณะเชื่อมโยงปริมาณความร้อนสะสมวิกฤตกับโครงสร้างพื้นผิวไมครอนแม้จะมีกระบวนการสร้างโครงสร้างที่เกิดจากความร้อน แต่โดยทั่วไปเชื่อกันว่าประสิทธิภาพของกระบวนการสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มอัตราการทำซ้ำ28แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่สามารถทำได้หากไม่มีการกักเก็บความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นกลยุทธ์กระบวนการที่ให้โทโพโลยีหลายระดับอาจไม่สามารถพกพาไปสู่อัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้นได้ โดยไม่เปลี่ยนแปลงจลนพลศาสตร์ของกระบวนการและการสร้างโครงสร้าง9,12ในเรื่องนี้ เป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องตรวจสอบว่าอุณหภูมิของสารตั้งต้นส่งผลต่อกระบวนการสร้าง DLIP อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสร้างลวดลายพื้นผิวเป็นชั้น ๆ เนื่องจากการก่อตัวของ LIPSS พร้อม ๆ กัน
การศึกษาครั้งนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อประเมินผลกระทบของอุณหภูมิของพื้นผิวที่มีต่อภูมิประเทศของพื้นผิวที่เกิดขึ้นในระหว่างการประมวลผล DLIP ของเหล็กกล้าไร้สนิมโดยใช้พัลส์ psในระหว่างการประมวลผลด้วยเลเซอร์ อุณหภูมิของซับสเตรตตัวอย่างจะถูกเพิ่มสูงถึง 250 \(^\circ\)C โดยใช้แผ่นทำความร้อนโครงสร้างพื้นผิวที่ได้นั้นมีลักษณะเฉพาะโดยใช้กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด และเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีแบบกระจายพลังงาน
ในการทดลองชุดแรก ซับสเตรตที่เป็นเหล็กได้รับการประมวลผลโดยใช้การกำหนดค่า DLIP แบบสองลำแสงที่มีคาบเชิงพื้นที่ 4.5 µm และอุณหภูมิของซับสเตรตที่ \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ }\)C ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่า “พื้นผิวที่ไม่ได้รับความร้อน”ในกรณีนี้ พัลส์ที่ทับซ้อนกัน \(o_{\mathrm {p}}\) คือระยะห่างระหว่างพัลส์สองพัลส์ซึ่งเป็นฟังก์ชันของขนาดจุดโดยจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 99.0% (100 พัลส์ต่อตำแหน่ง) ถึง 99.67% (300 พัลส์ต่อตำแหน่ง)ในทุกกรณี ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0.5 J/cm\(^2\) (สำหรับการเทียบเท่าแบบเกาส์เซียนโดยไม่มีการรบกวน) และความถี่การทำซ้ำ f = 200 kHz ถูกนำมาใช้ทิศทางของโพลาไรเซชันของลำแสงเลเซอร์จะขนานกับการเคลื่อนที่ของตารางตำแหน่ง (รูปที่ 1a)) ซึ่งขนานกับทิศทางของรูปทรงเชิงเส้นที่สร้างขึ้นโดยรูปแบบการรบกวนของลำแสงสองอันรูปภาพที่เป็นตัวแทนของโครงสร้างที่ได้รับโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) จะแสดงไว้ในรูปที่1a–คเพื่อสนับสนุนการวิเคราะห์ภาพ SEM ในแง่ของภูมิประเทศ การแปลงฟูริเยร์ (FFT ที่แสดงในส่วนที่มืด) ได้ดำเนินการบนโครงสร้างที่กำลังประเมินในทุกกรณี เรขาคณิต DLIP ที่ได้นั้นสามารถมองเห็นได้ด้วยคาบเชิงพื้นที่ 4.5 µm
สำหรับกรณี \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% ในบริเวณที่มืดกว่าของรูปที่1a ซึ่งสอดคล้องกับตำแหน่งของการรบกวนสูงสุด เราสามารถสังเกตร่องที่มีโครงสร้างขนานเล็กกว่าได้พวกมันสลับกับแถบสว่างกว่าที่ปกคลุมไปด้วยภูมิประเทศคล้ายอนุภาคนาโนเนื่องจากโครงสร้างที่ขนานกันระหว่างร่องดูเหมือนจะตั้งฉากกับโพลาไรเซชันของลำแสงเลเซอร์ และมีคาบ \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) nm เล็กน้อย น้อยกว่าความยาวคลื่นของเลเซอร์ \(\lambda\) (532 นาโนเมตร) เรียกว่า LIPSS ที่มีความถี่เชิงพื้นที่ต่ำ (LSFL-I)15,18LSFL-I สร้างสัญญาณที่เรียกว่า s-type ใน FFT, “s” การกระเจิง15,20ดังนั้น สัญญาณจึงตั้งฉากกับองค์ประกอบแนวตั้งตรงกลางที่มีกำลังแรง ซึ่งในทางกลับกันจะถูกสร้างขึ้นโดยโครงสร้าง DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\ประมาณ\) 4.5 µm)สัญญาณที่สร้างโดยโครงสร้างเชิงเส้นของรูปแบบ DLIP ในภาพ FFT เรียกว่า "ประเภท DLIP"
ภาพ SEM ของโครงสร้างพื้นผิวที่สร้างโดยใช้ DLIPความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดคือ \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0.5 J/cm\(^2\) (สำหรับค่าเทียบเท่าเกาส์เซียนที่ไม่มีเสียงรบกวน) และอัตราการเกิดซ้ำ f = 200 kHzภาพแสดงอุณหภูมิตัวอย่าง โพลาไรเซชัน และการซ้อนทับการเคลื่อนไหวของระยะการแปลจะถูกทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีดำใน (a)สิ่งที่ใส่เข้าไปสีดำแสดง FFT ที่สอดคล้องกันที่ได้รับจากรูปภาพ SEM 37.25\(\times\)37.25 µm (แสดงจนกระทั่งเวกเตอร์คลื่นกลายเป็น \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 นาโนเมตร)พารามิเตอร์กระบวนการระบุไว้ในแต่ละรูป
เมื่อพิจารณาเพิ่มเติมในรูปที่ 1 คุณจะเห็นว่าเมื่อ \(o_{\mathrm {p}}\) ทับซ้อนกันเพิ่มขึ้น สัญญาณซิกมอยด์จะมุ่งไปที่แกน x ของ FFT มากขึ้นLSFL-I ที่เหลือมีแนวโน้มที่จะขนานกันมากกว่านอกจากนี้ ความเข้มสัมพัทธ์ของสัญญาณชนิด s ลดลง และความเข้มของสัญญาณชนิด DLIP เพิ่มขึ้นนี่เป็นเพราะสนามเพลาะที่เด่นชัดมากขึ้นโดยมีการทับซ้อนกันมากขึ้นนอกจากนี้ สัญญาณแกน x ระหว่างประเภท s และศูนย์กลางจะต้องมาจากโครงสร้างที่มีการวางแนวเดียวกันกับ LSFL-I แต่มีคาบนานกว่า (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\ประมาณ \ ) 1.4 ± 0.2 µm) ดังแสดงในรูปที่ 1c)ดังนั้นจึงสันนิษฐานว่าการก่อตัวของพวกมันคือรูปแบบของหลุมที่อยู่ตรงกลางคูน้ำคุณสมบัติใหม่นี้ยังปรากฏในช่วงความถี่สูง (หมายเลขคลื่นขนาดใหญ่) ของออร์ดิเนตอีกด้วยสัญญาณดังกล่าวมาจากระลอกคลื่นขนานบนเนินลาดของร่องลึกก้นสมุทร ซึ่งน่าจะเกิดจากการรบกวนของเหตุการณ์และแสงสะท้อนไปข้างหน้าบนเนิน9,14ต่อไปนี้ ระลอกเหล่านี้แสดงด้วย LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \) และสัญญาณ – ตามประเภท -s \ (_ {\mathrm {p)) \)
ในการทดลองครั้งต่อไป อุณหภูมิของตัวอย่างถูกเพิ่มสูงถึง 250 °C ใต้พื้นผิวที่เรียกว่า "ร้อน"การจัดโครงสร้างดำเนินการตามกลยุทธ์การประมวลผลแบบเดียวกันกับการทดลองที่กล่าวถึงในส่วนก่อนหน้า (รูปที่ 1a–1c)ภาพ SEM แสดงถึงภูมิประเทศที่เป็นผลลัพธ์ดังแสดงในรูปที่ 1d–fการอุ่นตัวอย่างที่อุณหภูมิ 250 C จะทำให้ LSFL มีลักษณะที่ปรากฏเพิ่มขึ้น ซึ่งมีทิศทางขนานกับโพลาไรเซชันของเลเซอร์โครงสร้างเหล่านี้สามารถแสดงลักษณะเฉพาะเป็น LSFL-II และมีคาบเชิงพื้นที่ \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) ที่ 247 ± 35 นาโนเมตรสัญญาณ LSFL-II จะไม่แสดงใน FFT เนื่องจากความถี่ของโหมดสูงเมื่อ \(o_{\mathrm {p}}\) เพิ่มขึ้นจาก 99.0 เป็น 99.67\(\%\) (รูปที่ 1d–e) ความกว้างของบริเวณแถบสว่างเพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของสัญญาณ DLIP เกินกว่าความถี่สูงหมายเลขคลื่น (ความถี่ต่ำกว่า) และเลื่อนไปทางศูนย์กลางของ FFTแถวของหลุมในรูปที่ 1d อาจเป็นสารตั้งต้นของสิ่งที่เรียกว่าร่องซึ่งตั้งฉากกับ LSFL-I22,27นอกจากนี้ LSFL-II ดูเหมือนจะสั้นลงและมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอโปรดทราบว่าขนาดเฉลี่ยของแถบสว่างที่มีสัณฐานวิทยาของนาโนเกรนจะเล็กกว่าในกรณีนี้นอกจากนี้ การกระจายขนาดของอนุภาคนาโนเหล่านี้มีการกระจายตัวน้อยกว่า (หรือนำไปสู่การรวมตัวของอนุภาคน้อยกว่า) เมื่อเทียบกับการไม่ใช้ความร้อนในเชิงคุณภาพ สามารถประเมินได้โดยการเปรียบเทียบรูปที่ 1a, d หรือ b, e ตามลำดับ
เมื่อการทับซ้อนกัน \(o_{\mathrm {p}}\) เพิ่มขึ้นอีกเป็น 99.67% (รูปที่ 1f) ภูมิประเทศที่แตกต่างกันจะค่อยๆ ปรากฏขึ้นเนื่องจากมีร่องที่เห็นได้ชัดเจนมากขึ้นอย่างไรก็ตาม ร่องเหล่านี้ดูไม่เป็นระเบียบและลึกน้อยกว่าในรูปที่ 1cคอนทราสต์ต่ำระหว่างบริเวณสว่างและมืดของภาพจะแสดงขึ้นในคุณภาพผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับการสนับสนุนเพิ่มเติมโดยสัญญาณที่อ่อนแอกว่าและกระจัดกระจายมากขึ้นของการกำหนด FFT ในรูปที่ 1f เมื่อเปรียบเทียบกับ FFT บน cลายเส้นที่เล็กกว่านั้นเห็นได้ชัดจากการให้ความร้อนเมื่อเปรียบเทียบรูปที่ 1b และ e ซึ่งได้รับการยืนยันในภายหลังด้วยกล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล
นอกเหนือจากการทดลองก่อนหน้านี้ โพลาไรเซชันของลำแสงเลเซอร์ยังหมุนไป 90 \(^{\circ}\) ซึ่งทำให้ทิศทางโพลาไรเซชันเคลื่อนที่ตั้งฉากกับแท่นกำหนดตำแหน่งบนรูป2a-c แสดงระยะเริ่มต้นของการสร้างโครงสร้าง \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% ในแบบไม่อุ่น (a), ให้ความร้อน (b) และให้ความร้อน 90\(^{\ circ }\ ) – กรณี ด้วยโพลาไรเซชันแบบหมุน (c)เพื่อให้เห็นภาพนาโนโทโพกราฟีของโครงสร้าง พื้นที่ที่ทำเครื่องหมายด้วยสี่เหลี่ยมสีจะแสดงในรูปที่ 12d ในขนาดที่ขยายใหญ่ขึ้น
ภาพ SEM ของโครงสร้างพื้นผิวที่สร้างโดยใช้ DLIPพารามิเตอร์กระบวนการเหมือนกับในรูปที่ 1ภาพแสดงอุณหภูมิตัวอย่าง \(T_s\), โพลาไรเซชัน และพัลส์ที่ทับซ้อนกัน \(o_\mathrm {p}\)สิ่งที่ใส่เข้าไปสีดำจะแสดงการแปลงฟูริเยร์ที่สอดคล้องกันอีกครั้งภาพใน (d)-(i) เป็นการขยายพื้นที่ที่ทำเครื่องหมายไว้ใน (a)-(c)
ในกรณีนี้จะเห็นได้ว่าโครงสร้างในพื้นที่มืดของรูปที่ 2b, c มีความไวต่อโพลาไรเซชันและจึงมีป้ายกำกับว่า LSFL-II14, 20, 29, 30 โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวางแนวของ LSFL-I ก็หมุนเช่นกัน ( รูปที่ 2g, i) ซึ่งสามารถเห็นได้จากการวางแนวของสัญญาณประเภท s ใน FFT ที่สอดคล้องกันแบนด์วิดท์ของช่วงเวลา LSFL-I นั้นมีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับช่วงเวลา b และช่วงของมันถูกเลื่อนไปสู่ช่วงเวลาที่เล็กกว่าในรูปที่ 2c ตามที่ระบุโดยสัญญาณประเภท s ที่แพร่หลายมากขึ้นดังนั้น ระยะเวลาเชิงพื้นที่ของ LSFL ต่อไปนี้สามารถสังเกตได้บนตัวอย่างที่อุณหภูมิความร้อนที่แตกต่างกัน: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) nm ที่ 21 ^{ \circ }\ )C (รูปที่ 2a), \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 nm และ \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 นาโนเมตรที่ 250°C (รูปที่ 2b) สำหรับโพลาไรเซชันในทางตรงกันข้าม คาบเชิงพื้นที่ของโพลาไรเซชันแบบ p และ 250 \(^{\circ }\)C เท่ากับ \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) nm และ \(\ Lambda_{\mathrm{LSFL-II}}\) = 265±35 nm (รูปที่ 2c)
ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นว่าเพียงการเพิ่มอุณหภูมิตัวอย่าง สัณฐานวิทยาของพื้นผิวก็สามารถสลับไปมาระหว่างสุดขั้วสองขั้วได้ ซึ่งรวมถึง (i) พื้นผิวที่มีเฉพาะองค์ประกอบ LSFL-I และ (ii) พื้นที่ที่ปกคลุมด้วย LSFL-IIเนื่องจากการก่อตัวของ LIPSS ประเภทเฉพาะนี้บนพื้นผิวโลหะสัมพันธ์กับชั้นพื้นผิวออกไซด์ การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDX) จึงถูกดำเนินการตารางที่ 1 สรุปผลลัพธ์ที่ได้รับการกำหนดแต่ละครั้งจะดำเนินการโดยการหาค่าเฉลี่ยสเปกตรัมอย่างน้อย 4 สเปกตรัมในตำแหน่งต่างๆ บนพื้นผิวของตัวอย่างที่ผ่านการประมวลผลการวัดจะดำเนินการที่อุณหภูมิตัวอย่างที่แตกต่างกัน \(T_\คณิตศาสตร์{s}\) และตำแหน่งที่แตกต่างกันของพื้นผิวตัวอย่างที่มีพื้นที่ไม่มีโครงสร้างหรือมีโครงสร้างการวัดยังประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับชั้นที่ไม่ถูกออกซิไดซ์ที่อยู่ลึกลงไปซึ่งอยู่ใต้บริเวณหลอมเหลวที่ผ่านการบำบัด แต่อยู่ภายในความลึกของการแทรกซึมของอิเล็กตรอนของการวิเคราะห์ EDXอย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่า EDX มีความสามารถในการวัดปริมาณออกซิเจนอย่างจำกัด ดังนั้นค่าเหล่านี้จึงสามารถให้การประเมินเชิงคุณภาพเท่านั้น
ตัวอย่างส่วนที่ไม่ผ่านการบำบัดไม่ได้แสดงปริมาณออกซิเจนที่มีนัยสำคัญที่อุณหภูมิการทำงานทั้งหมดหลังการรักษาด้วยเลเซอร์ ระดับออกซิเจนเพิ่มขึ้นในทุกกรณี31ความแตกต่างขององค์ประกอบองค์ประกอบระหว่างตัวอย่างที่ไม่ผ่านการบำบัดทั้งสองนั้นเป็นไปตามที่คาดไว้สำหรับตัวอย่างเหล็กเชิงพาณิชย์ และพบค่าคาร์บอนที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตสำหรับเหล็ก AISI 304 เนื่องจากการปนเปื้อนของไฮโดรคาร์บอน32
ก่อนที่จะหารือถึงสาเหตุที่เป็นไปได้ในการลดความลึกของการระเหยของร่องและการเปลี่ยนจาก LSFL-I เป็น LSFL-II จะใช้โปรไฟล์ความหนาแน่นของสเปกตรัมกำลัง (PSD) และความสูง
(i) ความหนาแน่นสเปกตรัมพลังงานกึ่งสองมิติปกติ (Q2D-PSD) ของพื้นผิวแสดงเป็นภาพ SEM ในรูปที่ 1 และ 2 1 และ 2 เนื่องจาก PSD ถูกทำให้เป็นมาตรฐาน การลดสัญญาณผลรวมควรเป็น เข้าใจว่าเป็นการเพิ่มขึ้นของส่วนคงที่ (k \(\le\) 0.7 µm\(^{-1}\) ไม่แสดง) คือความเรียบเนียน(ii) โปรไฟล์ความสูงของพื้นผิวเฉลี่ยที่สอดคล้องกันอุณหภูมิตัวอย่าง \(T_s\), การทับซ้อนกัน \(o_{\mathrm {p}}\) และโพลาไรเซชันของเลเซอร์ E ที่สัมพันธ์กับการวางแนว \(\vec {v}\) ของการเคลื่อนที่ของแท่นกำหนดตำแหน่งจะแสดงในทุกแปลง
ในการหาปริมาณการแสดงผลของภาพ SEM นั้น สเปกตรัมพลังงานที่ทำให้เป็นมาตรฐานโดยเฉลี่ยจะถูกสร้างขึ้นจากรูปภาพ SEM อย่างน้อยสามภาพสำหรับแต่ละพารามิเตอร์ที่ตั้งค่าโดยการเฉลี่ยความหนาแน่นสเปกตรัมพลังงาน (PSD) หนึ่งมิติ (1D) ทั้งหมดในทิศทาง x หรือ yกราฟที่เกี่ยวข้องจะแสดงในรูปที่ 3i ซึ่งแสดงการเปลี่ยนความถี่ของสัญญาณและการมีส่วนร่วมที่สัมพันธ์กับสเปกตรัม
บนรูป3ia, c, e, จุดสูงสุดของ DLIP เติบโตใกล้ \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4.5 µm)\(^{-1}\) = 1.4 µm \ ( ^{- 1}\) หรือฮาร์โมนิกที่สูงขึ้นที่สอดคล้องกันเมื่อการทับซ้อนเพิ่มขึ้น \(o_{\mathrm {p))\)การเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดพื้นฐานสัมพันธ์กับการพัฒนาโครงสร้าง LRIB ที่แข็งแกร่งขึ้นแอมพลิจูดของฮาร์โมนิคที่สูงขึ้นจะเพิ่มขึ้นตามความชันของความชันสำหรับฟังก์ชันสี่เหลี่ยมเป็นกรณีจำกัด การประมาณต้องใช้ความถี่จำนวนมากที่สุดดังนั้น จุดสูงสุดประมาณ 1.4 µm\(^{-1}\) ใน PSD และฮาร์โมนิกที่เกี่ยวข้องสามารถใช้เป็นพารามิเตอร์คุณภาพสำหรับรูปร่างของร่องได้
ในทางตรงกันข้าม ดังแสดงในรูปที่ 3(i)b,d,f PSD ของตัวอย่างที่ได้รับความร้อนจะแสดงจุดสูงสุดที่อ่อนกว่าและกว้างกว่า โดยมีสัญญาณน้อยกว่าในฮาร์โมนิกตามลำดับนอกจากนี้ในรูป3(i)f แสดงว่าสัญญาณฮาร์มอนิกที่สองเกินสัญญาณพื้นฐานด้วยซ้ำสิ่งนี้สะท้อนให้เห็นถึงโครงสร้าง DLIP ที่ไม่สม่ำเสมอและเด่นชัดน้อยกว่าของตัวอย่างที่ให้ความร้อน (เทียบกับ \(T_s\) = 21\(^\circ\)C)คุณลักษณะอีกประการหนึ่งคือเมื่อการทับซ้อน \(o_{\mathrm {p}}\) เพิ่มขึ้น สัญญาณ LSFL-I ที่เป็นผลลัพธ์จะเลื่อนไปทางหมายเลขคลื่นที่น้อยลง (คาบที่นานขึ้น)สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ด้วยความชันที่เพิ่มขึ้นของขอบของโหมด DLIP และการเพิ่มขึ้นของมุมตกกระทบในพื้นที่ที่เกี่ยวข้อง14,33จากแนวโน้มนี้ จึงสามารถอธิบายการขยายสัญญาณ LSFL-I ได้เช่นกันนอกจากทางลาดชันแล้ว ยังมีพื้นที่ราบที่ด้านล่างและเหนือยอดของโครงสร้าง DLIP อีกด้วย ช่วยให้ช่วง LSFL-I มีช่วงกว้างขึ้นสำหรับวัสดุที่มีการดูดซับสูง โดยทั่วไปคาบ LSFL-I จะถูกประมาณดังนี้:
โดยที่ \(\theta\) คือมุมตกกระทบ และตัวห้อย s และ p อ้างถึงโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน
ควรสังเกตว่าระนาบตกกระทบสำหรับการตั้งค่า DLIP มักจะตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของแท่นกำหนดตำแหน่ง ดังแสดงในรูปที่ 4 (ดูส่วนวัสดุและวิธีการ)ดังนั้นตามกฎแล้ว s-โพลาไรเซชันจะขนานกับการเคลื่อนที่ของสเตจ และโพลาไรเซชัน p จะตั้งฉากกับมันตามสมการ.(1) สำหรับ s-โพลาไรเซชัน คาดว่าจะมีการแพร่กระจายและการเปลี่ยนสัญญาณ LSFL-I ไปยังหมายเลขคลื่นที่เล็กลงนี่เป็นเพราะการเพิ่มขึ้นของ \(\theta\) และช่วงเชิงมุม \(\theta \pm \delta \theta\) เมื่อความลึกของร่องลึกเพิ่มขึ้นสิ่งนี้สามารถเห็นได้โดยการเปรียบเทียบพีค LSFL-I ในรูปที่ 3ia,c,e
ตามผลลัพธ์ที่แสดงในรูป1c, LSFL\(_\mathrm {edge}\) ก็มองเห็นได้ใน PSD ที่เกี่ยวข้องในรูป3ie.บนรูป3ig,h แสดง PSD สำหรับ p-โพลาไรซ์ความแตกต่างของพีค DLIP จะเด่นชัดกว่าระหว่างตัวอย่างที่ให้ความร้อนและไม่ได้รับความร้อนในกรณีนี้ สัญญาณจาก LSFL-I ทับซ้อนกับฮาร์โมนิคที่สูงกว่าของพีค DLIP ซึ่งเป็นการเพิ่มสัญญาณใกล้กับความยาวคลื่นเลเซอร์
เพื่อหารือเกี่ยวกับผลลัพธ์โดยละเอียดมากขึ้น ในรูปที่ 3ii จะแสดงความลึกของโครงสร้างและการทับซ้อนระหว่างพัลส์ของการกระจายความสูงเชิงเส้นของ DLIP ที่อุณหภูมิต่างๆโปรไฟล์ความสูงแนวตั้งของพื้นผิวได้มาจากการเฉลี่ยโปรไฟล์ความสูงแนวตั้งแต่ละโปรไฟล์สิบโปรไฟล์รอบๆ ศูนย์กลางของโครงสร้าง DLIPสำหรับแต่ละอุณหภูมิที่ใช้ ความลึกของโครงสร้างจะเพิ่มขึ้นตามการทับซ้อนของพัลส์ที่เพิ่มขึ้นโปรไฟล์ของตัวอย่างที่ได้รับความร้อนจะแสดงร่องที่มีค่าเฉลี่ยจากยอดถึงยอด (pvp) 0.87 µm สำหรับโพลาไรเซชันแบบ s และ 1.06 µm สำหรับโพลาไรซ์แบบ pในทางตรงกันข้าม โพลาไรเซชันแบบ s และโพลาไรเซชันแบบ p ของตัวอย่างที่ไม่ได้รับความร้อนจะแสดง pvp ที่ 1.75 µm และ 2.33 µm ตามลำดับPVP ที่เกี่ยวข้องจะแสดงอยู่ในโปรไฟล์ความสูงในรูป3ii.ค่าเฉลี่ย PvP แต่ละรายการคำนวณโดยการเฉลี่ย PvP เดี่ยวแปดตัว
นอกจากนี้ในรูป3iig,h แสดงการกระจายความสูงของโพลาไรเซชัน p ซึ่งตั้งฉากกับระบบการกำหนดตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของร่องทิศทางของโพลาไรเซชัน p มีผลเชิงบวกต่อความลึกของร่อง เนื่องจากส่งผลให้ pvp สูงขึ้นเล็กน้อยที่ 2.33 µm เมื่อเทียบกับโพลาไรซ์แบบ s ที่ 1.75 µm pvpซึ่งสอดคล้องกับร่องและการเคลื่อนตัวของระบบแท่นกำหนดตำแหน่งผลกระทบนี้อาจเกิดจากโครงสร้างที่เล็กกว่าในกรณีของโพลาไรเซชันแบบ s เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีของโพลาไรซ์แบบ p (ดูรูปที่ 2f,h) ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไปในหัวข้อถัดไป
จุดประสงค์ของการอภิปรายคือเพื่ออธิบายความลึกของร่องที่ลดลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงคลาส LIPS หลัก (LSFL-I เป็น LSFL-II) ในกรณีของตัวอย่างที่ได้รับความร้อนดังนั้นจงตอบคำถามต่อไปนี้:
ในการตอบคำถามแรกจำเป็นต้องพิจารณากลไกที่รับผิดชอบในการลดการทำลายสำหรับชีพจรเดี่ยวที่อุบัติการณ์ปกติ ความลึกของการระเหยสามารถอธิบายได้ดังนี้:
โดยที่ \(\delta _{\mathrm {E}}\) คือความลึกของการเจาะพลังงาน \(\Phi\) และ \(\Phi _{\mathrm {th}}\) คือความคล่องแคล่วในการดูดซับและความคล่องแคล่วของการระเหย เกณฑ์ตามลำดับ34
ในทางคณิตศาสตร์ ความลึกของการแทรกซึมของพลังงานมีผลคูณกับความลึกของการระเหย ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจะมีผลแบบลอการิทึมดังนั้นการเปลี่ยนแปลงความคล่องแคล่วจะไม่ส่งผลกระทบต่อ \(\Delta z\) มากนักตราบเท่าที่ \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\)อย่างไรก็ตาม การออกซิเดชันที่รุนแรง (เช่น เนื่องจากการก่อตัวของโครเมียมออกไซด์) ทำให้เกิดพันธะ Cr-O35 ที่แข็งแกร่งกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับพันธะ Cr-Cr ดังนั้นจึงเป็นการเพิ่มเกณฑ์การระเหยผลที่ตามมาคือ \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) ไม่เป็นที่พอใจอีกต่อไป ซึ่งนำไปสู่การลดลงอย่างรวดเร็วในความลึกของการระเหยด้วยความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานที่ลดลงนอกจากนี้ยังทราบความสัมพันธ์ระหว่างสถานะออกซิเดชันและระยะเวลาของ LSFL-II ซึ่งสามารถอธิบายได้โดยการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างนาโนและคุณสมบัติทางแสงของพื้นผิวที่เกิดจากการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวดังนั้น การกระจายพื้นผิวที่แน่นอนของฟลูเอนซ์การดูดกลืนแสง \(\Phi\) เกิดจากไดนามิกที่ซับซ้อนของอันตรกิริยาระหว่างคาบโครงสร้างและความหนาของชั้นออกไซด์โครงสร้างนาโนมีอิทธิพลอย่างมากต่อการกระจายของฟลักซ์พลังงานที่ถูกดูดซับเนื่องจากการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของสนาม การกระตุ้นของพลาสมอนบนพื้นผิว การถ่ายโอนหรือการกระเจิงของแสงที่ไม่ธรรมดา ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาดังนั้น \(\Phi\) จึงไม่มีลักษณะเป็นเนื้อเดียวกันอย่างยิ่งเมื่ออยู่ใกล้พื้นผิว และ \(\delta _ {E}\) ไม่น่าจะเป็นไปได้อีกต่อไปด้วยสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงเดียว \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) สำหรับปริมาตรใกล้พื้นผิวทั้งหมดเนื่องจากความหนาของฟิล์มออกไซด์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับเวลาในการแข็งตัว [26] ผลของระบบการตั้งชื่อจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวอย่างไมโครกราฟแบบออพติคอลที่แสดงในรูปที่ S1 ในวัสดุเสริมบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแสง
ผลกระทบเหล่านี้ส่วนหนึ่งอธิบายความลึกของร่องลึกตื้นกว่าในกรณีของโครงสร้างพื้นผิวขนาดเล็กในรูปที่ 1d,e และ 2b,c และ 3(ii)b,d,f
เป็นที่ทราบกันว่า LSFL-II ก่อตัวบนเซมิคอนดักเตอร์ ไดอิเล็กทริก และวัสดุที่มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชัน14,29,30,36,37ในกรณีหลังนี้ ความหนาของชั้นผิวออกไซด์มีความสำคัญอย่างยิ่ง30การวิเคราะห์ EDX ที่ดำเนินการเผยให้เห็นการก่อตัวของออกไซด์ของพื้นผิวบนพื้นผิวที่มีโครงสร้างดังนั้น สำหรับตัวอย่างที่ไม่ได้รับความร้อน ดูเหมือนว่าออกซิเจนโดยรอบมีส่วนทำให้เกิดการก่อตัวของอนุภาคก๊าซและทำให้เกิดออกไซด์ที่พื้นผิวบางส่วนปรากฏการณ์ทั้งสองมีส่วนสำคัญต่อกระบวนการนี้ในทางตรงกันข้าม สำหรับตัวอย่างที่ให้ความร้อน โลหะออกไซด์ที่มีสถานะออกซิเดชันต่างๆ (SiO\(_{\mathrm {2}}\), Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ ), Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\), NiO ฯลฯ) เห็นได้ชัดว่า 38 เห็นด้วยนอกเหนือจากชั้นออกไซด์ที่ต้องการแล้ว การมีอยู่ของความหยาบของความยาวคลื่นย่อย ซึ่งส่วนใหญ่เป็นความถี่เชิงพื้นที่สูง LIPSS (HSFL) เป็นสิ่งจำเป็นในการสร้างโหมดความเข้มของความยาวคลื่นย่อย (ชนิด d) ที่ต้องการโหมดความเข้ม LSFL-II สุดท้ายเป็นฟังก์ชันของแอมพลิจูด HSFL และความหนาของออกไซด์เหตุผลของโหมดนี้คือการรบกวนของแสงในสนามไกลที่กระเจิงโดย HSFL และแสงที่หักเหเข้าสู่วัสดุและแพร่กระจายภายในวัสดุอิเล็กทริกของพื้นผิวภาพ SEM ของขอบของลวดลายพื้นผิวในรูปที่ S2 ในส่วนวัสดุเสริมบ่งบอกถึง HSFL ที่มีอยู่แล้วบริเวณรอบนอกนี้ได้รับผลกระทบเล็กน้อยจากขอบของการกระจายความเข้ม ซึ่งช่วยให้เกิด HSFL ได้เนื่องจากการกระจายความเข้มมีความสมมาตร ผลกระทบนี้จึงเกิดขึ้นตามทิศทางการสแกนด้วย
การให้ความร้อนกับตัวอย่างส่งผลต่อกระบวนการสร้าง LSFL-II ในหลายๆ ด้านในด้านหนึ่ง การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิตัวอย่าง \(T_\mathrm{s}\) มีผลกระทบต่ออัตราการแข็งตัวและความเย็นมากกว่าความหนาของชั้นหลอมเหลว26 มากดังนั้น ส่วนต่อประสานของเหลวของตัวอย่างที่ให้ความร้อนจึงสัมผัสกับออกซิเจนโดยรอบเป็นระยะเวลานานขึ้นนอกจากนี้ การแข็งตัวที่ล่าช้ายังทำให้เกิดการพัฒนากระบวนการหมุนเวียนที่ซับซ้อน ซึ่งเพิ่มการผสมของออกซิเจนและออกไซด์กับเหล็กเหลว26สิ่งนี้สามารถแสดงให้เห็นได้โดยการเปรียบเทียบความหนาของชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นจากการแพร่เท่านั้น (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) nm) เวลาแข็งตัวที่สอดคล้องกันคือ \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/ s) สังเกตเห็นหรือจำเป็นต้องมีความหนาที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในรูปแบบ LSFL-II30ในทางกลับกัน การให้ความร้อนยังส่งผลต่อการก่อตัวของ HSFL และด้วยเหตุนี้วัตถุกระเจิงที่จำเป็นในการเปลี่ยนเป็นโหมดความเข้มชนิด d LSFL-IIการเปิดรับนาโนโวยด์ที่ติดอยู่ใต้พื้นผิวบ่งบอกถึงการมีส่วนร่วมในการก่อตัวของ HSFL39ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจแสดงถึงต้นกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้าของ HSFL เนื่องจากรูปแบบความเข้มเป็นระยะความถี่สูงที่จำเป็น 14,17,19,29นอกจากนี้ โหมดความเข้มที่สร้างขึ้นเหล่านี้มีความสม่ำเสมอมากขึ้นด้วยปริมาณนาโนโมฆะจำนวนมากดังนั้น สาเหตุของอุบัติการณ์ที่เพิ่มขึ้นของ HSFL สามารถอธิบายได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงในพลวัตของข้อบกพร่องของคริสตัลเมื่อ \(T_\mathrm{s}\) เพิ่มขึ้น
เมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าอัตราการเย็นตัวของซิลิคอนเป็นพารามิเตอร์สำคัญสำหรับความอิ่มตัวของคั่นระหว่างหน้าภายใน และสำหรับการสะสมของข้อบกพร่องจุดด้วยการก่อตัวของการเคลื่อนที่การจำลองพลศาสตร์เชิงโมเลกุลของโลหะบริสุทธิ์แสดงให้เห็นว่าตำแหน่งงานว่างมีความอิ่มตัวสูงในระหว่างการตกผลึกใหม่อย่างรวดเร็ว และด้วยเหตุนี้การสะสมของตำแหน่งงานว่างในโลหะจึงดำเนินไปในลักษณะเดียวกันนอกจากนี้ การศึกษาทดลองล่าสุดเกี่ยวกับธาตุเงินได้มุ่งเน้นไปที่กลไกการก่อตัวของช่องว่างและกระจุกเนื่องจากการสะสมของจุดบกพร่อง45ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของตัวอย่าง \(T_\mathrm {s}\) และผลที่ตามมาคือ อัตราการทำความเย็นที่ลดลงอาจส่งผลต่อการก่อตัวของช่องว่าง ซึ่งเป็นนิวเคลียสของ HSFL
หากตำแหน่งงานว่างเป็นปัจจัยตั้งต้นที่จำเป็นสำหรับฟันผุและด้วยเหตุนี้ HSFL อุณหภูมิตัวอย่าง \(T_s\) ควรมีผลกระทบสองประการในด้านหนึ่ง \(T_s\) ส่งผลต่ออัตราการตกผลึกซ้ำ และผลที่ตามมาคือความเข้มข้นของจุดบกพร่อง (ความเข้มข้นของตำแหน่งว่าง) ในผลึกที่โตแล้วในทางกลับกัน ยังส่งผลต่ออัตราการเย็นตัวหลังการแข็งตัวด้วย จึงส่งผลต่อการแพร่กระจายของจุดบกพร่องในคริสตัล 40,41นอกจากนี้ อัตราการแข็งตัวยังขึ้นอยู่กับการวางแนวของผลึกและจึงมีแอนไอโซโทรปิกสูง เช่นเดียวกับการแพร่กระจายของจุดบกพร่อง42,43ตามสมมติฐานนี้ เนื่องจากการตอบสนองแบบแอนไอโซทรอปิกของวัสดุ ปฏิกิริยาระหว่างแสงและสสารจึงกลายเป็นแอนไอโซทรอปิก ซึ่งจะขยายการปลดปล่อยพลังงานตามระยะเวลาที่กำหนดตามที่กำหนดนี้สำหรับวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ ลักษณะนี้สามารถถูกจำกัดด้วยขนาดของเกรนเดียวในความเป็นจริงการก่อตัวของ LIPSS ได้แสดงให้เห็นแล้วขึ้นอยู่กับการวางแนวของเกรนดังนั้นผลกระทบของอุณหภูมิตัวอย่าง \(T_s\) ต่ออัตราการตกผลึกอาจไม่รุนแรงเท่ากับผลของการวางแนวเกรนดังนั้น การวางแนวผลึกศาสตร์ที่แตกต่างกันของเกรนต่างๆ จึงเป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับการเพิ่มขึ้นของช่องว่างและการรวมตัวของ HSFL หรือ LSFL-II ตามลำดับ
เพื่อชี้แจงข้อบ่งชี้เบื้องต้นของสมมติฐานนี้ ตัวอย่างดิบจึงถูกแกะสลักเพื่อเผยให้เห็นการก่อตัวของเกรนใกล้กับพื้นผิวเปรียบเทียบธัญพืชในรูปS3 แสดงอยู่ในเอกสารเสริมนอกจากนี้ LSFL-I และ LSFL-II ยังปรากฏเป็นกลุ่มบนตัวอย่างที่ให้ความร้อนขนาดและรูปทรงของกระจุกเหล่านี้สอดคล้องกับขนาดเกรน
ยิ่งไปกว่านั้น HSFL เกิดขึ้นในช่วงแคบเท่านั้นที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ต่ำเนื่องจากมีต้นกำเนิดการพาความร้อน19,29,48ดังนั้นในการทดลอง สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นที่ขอบของโปรไฟล์ลำแสงเท่านั้นดังนั้น HSFL จึงเกิดขึ้นบนพื้นผิวที่ไม่ออกซิไดซ์หรือออกซิไดซ์อย่างอ่อน ซึ่งเห็นได้ชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบเศษส่วนออกไซด์ของตัวอย่างที่บำบัดและตัวอย่างที่ไม่บำบัด (ดูตาราง reftab: ตัวอย่าง)นี่เป็นการยืนยันสมมติฐานที่ว่าชั้นออกไซด์ส่วนใหญ่เกิดจากเลเซอร์
เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการก่อตัวของ LIPSS จะขึ้นอยู่กับจำนวนของพัลส์เนื่องจากการตอบรับระหว่างพัลส์ HSFL สามารถถูกแทนที่ด้วยโครงสร้างที่ใหญ่กว่าเมื่อพัลส์ทับซ้อนกันเพิ่มขึ้นHSFL ที่สม่ำเสมอน้อยกว่าส่งผลให้เกิดรูปแบบความเข้มสม่ำเสมอน้อยลง (d-mode) ซึ่งจำเป็นสำหรับการก่อตัวของ LSFL-IIดังนั้น เมื่อการทับซ้อนกันของ \(o_\mathrm {p}\) เพิ่มขึ้น (ดูรูปที่ 1 จาก de) ความสม่ำเสมอของ LSFL-II จะลดลง
การศึกษานี้ศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิของสารตั้งต้นต่อสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของสเตนเลสสตีลเคลือบ DLIP ที่มีโครงสร้างด้วยเลเซอร์พบว่าการให้ความร้อนแก่ซับสเตรตตั้งแต่ 21 ถึง 250°C ส่งผลให้ความลึกของการระเหยลดลงจาก 1.75 เป็น 0.87 µm ในโพลาไรเซชันแบบ s และจาก 2.33 ถึง 1.06 µm ในโพลาไรซ์แบบ pการลดลงนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงประเภท LIPSS จาก LSFL-I เป็น LSFL-II ซึ่งสัมพันธ์กับชั้นออกไซด์ของพื้นผิวที่เกิดจากเลเซอร์ที่อุณหภูมิตัวอย่างที่สูงขึ้นนอกจากนี้ LSFL-II อาจเพิ่มฟลักซ์เกณฑ์เนื่องจากการเกิดออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นสันนิษฐานว่าในระบบเทคโนโลยีนี้ซึ่งมีพัลส์ซ้อนทับกันสูง ความหนาแน่นของพลังงานโดยเฉลี่ย และอัตราการเกิดซ้ำโดยเฉลี่ย การเกิดขึ้นของ LSFL-II ยังถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงในพลวัตของการเคลื่อนที่ที่เกิดจากการให้ความร้อนกับตัวอย่างด้วยการรวมตัวของ LSFL-II ได้รับการตั้งสมมติฐานว่าเกิดจากการก่อตัวของนาโนโมลด์ที่ขึ้นกับการวางแนวของเกรน ซึ่งนำไปสู่ HSFL ในฐานะสารตั้งต้นของ LSFL-IIนอกจากนี้ยังศึกษาอิทธิพลของทิศทางของโพลาไรเซชันต่อคาบโครงสร้างและแบนด์วิธของคาบโครงสร้างด้วยปรากฎว่า p-โพลาไรเซชันมีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับกระบวนการ DLIP ในแง่ของความลึกของการระเหยโดยรวมแล้ว การศึกษานี้เปิดเผยชุดของพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพความลึกของการระเหย DLIP เพื่อสร้างรูปแบบพื้นผิวที่ปรับแต่งเองในที่สุด การเปลี่ยนจาก LSFL-I เป็น LSFL-II นั้นขับเคลื่อนด้วยความร้อนทั้งหมด และคาดว่าจะเพิ่มอัตราการเกิดซ้ำเล็กน้อยด้วยการทับซ้อนของพัลส์คงที่เนื่องจากการสะสมความร้อนที่เพิ่มขึ้นทุกแง่มุมเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความท้าทายที่กำลังจะเกิดขึ้นในการขยายกระบวนการ DLIP เช่น ผ่านการใช้ระบบการสแกนแบบเหลี่ยมเพื่อลดการสะสมความร้อน ให้ปฏิบัติตามกลยุทธ์ต่อไปนี้: รักษาความเร็วในการสแกนของเครื่องสแกนโพลีกอนอลให้สูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยใช้ประโยชน์จากขนาดจุดเลเซอร์ที่ใหญ่กว่า ตั้งฉากกับทิศทางการสแกน และใช้การระเหยที่เหมาะสมที่สุดความคล่องแคล่ว 28 นอกจากนี้ แนวคิดเหล่านี้ยังอนุญาตให้สร้างภูมิประเทศแบบลำดับชั้นที่ซับซ้อนสำหรับการทำงานของพื้นผิวขั้นสูงโดยใช้ DLIP
ในการศึกษานี้ ใช้แผ่นเหล็กสเตนเลสขัดเงาด้วยไฟฟ้า (X5CrNi18-10, 1.4301, AISI 304) หนา 0.8 มม.เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากพื้นผิว ตัวอย่างจะถูกล้างอย่างระมัดระวังด้วยเอทานอลก่อนการรักษาด้วยเลเซอร์ (ความเข้มข้นสัมบูรณ์ของเอทานอล \(\ge\) 99.9%)
การตั้งค่า DLIP แสดงในรูปที่ 4 ตัวอย่างถูกสร้างขึ้นโดยใช้ระบบ DLIP ที่ติดตั้งแหล่งกำเนิดเลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษ 12 ps ที่มีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตรและอัตราการทำซ้ำสูงสุด 50 MHzการกระจายเชิงพื้นที่ของพลังงานลำแสงเป็นแบบเกาส์เซียนออปติกที่ออกแบบเป็นพิเศษให้การกำหนดค่าอินเทอร์เฟอโรเมตริกแบบลำแสงคู่เพื่อสร้างโครงสร้างเชิงเส้นบนตัวอย่างเลนส์ที่มีความยาวโฟกัส 100 มม. วางลำแสงเลเซอร์เพิ่มเติมสองลำซ้อนทับบนพื้นผิวที่มุมคงที่ 6.8\(^\circ\) ซึ่งให้คาบอวกาศประมาณ 4.5 µmข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการตั้งค่าการทดลองสามารถพบได้ที่อื่น50
ก่อนการประมวลผลด้วยเลเซอร์ ตัวอย่างจะถูกวางบนแผ่นทำความร้อนที่อุณหภูมิที่กำหนดอุณหภูมิของแผ่นทำความร้อนตั้งไว้ที่ 21 และ 250°Cในการทดลองทั้งหมด มีการใช้ลมอัดตามขวางร่วมกับอุปกรณ์ระบายไอเสียเพื่อป้องกันการสะสมของฝุ่นบนเลนส์ระบบระยะ x,y ได้รับการตั้งค่าเพื่อวางตำแหน่งตัวอย่างระหว่างการจัดโครงสร้าง
ความเร็วของระบบสเตจกำหนดตำแหน่งเปลี่ยนแปลงตั้งแต่ 66 ถึง 200 มม./วินาที เพื่อให้เกิดการทับซ้อนกันระหว่างพัลส์ที่ 99.0 ถึง 99.67 \(\%\) ตามลำดับในทุกกรณี อัตราการทำซ้ำถูกกำหนดไว้ที่ 200 kHz และกำลังเฉลี่ยอยู่ที่ 4 W ซึ่งให้พลังงานต่อพัลส์ที่ 20 μJเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่ใช้ในการทดลอง DLIP คือประมาณ 100 µm และผลลัพธ์ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูงสุดคือ 0.5 J/cm\(^{2}\)พลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่คือค่าความคล่องสะสมสูงสุดซึ่งสอดคล้องกับ 50 J/cm\(^2\) สำหรับ \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0 \(\%\), 100 J/cm \(^2\) สำหรับ \(o_{\mathrm {p))\)=99.5\(\%\) และ 150 J/cm\(^2\) สำหรับ \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99.67 \(\%\)ใช้เพลต \(\lambda\)/2 เพื่อเปลี่ยนโพลาไรเซชันของลำแสงเลเซอร์สำหรับพารามิเตอร์แต่ละชุดที่ใช้ จะมีพื้นผิวเป็นพื้นที่ประมาณ 35 × 5 มม.\(^{2}\) บนตัวอย่างการทดลองที่มีโครงสร้างทั้งหมดดำเนินการภายใต้สภาวะแวดล้อมเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถนำไปใช้ทางอุตสาหกรรมได้
ตรวจสอบสัณฐานวิทยาของตัวอย่างโดยใช้กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลที่มีกำลังขยาย 50 เท่าและความละเอียดเชิงแสงและแนวตั้งที่ 170 นาโนเมตรและ 3 นาโนเมตร ตามลำดับข้อมูลภูมิประเทศที่รวบรวมไว้ได้รับการประเมินโดยใช้ซอฟต์แวร์วิเคราะห์พื้นผิวแยกโปรไฟล์ออกจากข้อมูลภูมิประเทศตามมาตรฐาน ISO 1661051
ตัวอย่างยังถูกจำแนกลักษณะโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่แรงดันไฟฟ้าเร่ง 6.0 กิโลโวลต์องค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวของตัวอย่างได้รับการประเมินโดยใช้อุปกรณ์ X-ray spectroscopy (EDS) แบบกระจายพลังงานที่แรงดันไฟฟ้าเร่ง 15 กิโลโวลต์นอกจากนี้ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่มีเป้าหมาย 50 เท่ายังถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดลักษณะทางสัณฐานวิทยาแบบละเอียดของโครงสร้างจุลภาคของตัวอย่าง ก่อนหน้านั้น ตัวอย่างถูกแกะสลักที่อุณหภูมิคงที่ 50 \(^\circ\)C เป็นเวลาห้านาทีในคราบสแตนเลสที่มีกรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตริกความเข้มข้น 15–20 \(\%\) และ 1\( -<\)5 \(\%\) ตามลำดับ ก่อนหน้านั้น ตัวอย่างถูกแกะสลักที่อุณหภูมิคงที่ 50 \(^\circ\)C เป็นเวลาห้านาทีในคราบสแตนเลสที่มีกรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตริกความเข้มข้น 15–20 \(\%\) และ 1\( -<\)5 \(\%\) ตามลำดับ Перед этим образцы травили при постоянной температуре 50 \(^\circ\)С в течение пяти минут в краске из нержавеющей стали сол яной и азотной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) и 1\( -<\)5 \( \%\) รวบรวม. ก่อนหน้านั้น ตัวอย่างจะถูกแกะสลักที่อุณหภูมิคงที่ 50 \(^\circ\)C เป็นเวลาห้านาทีในสีสแตนเลสที่มีกรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตริกที่มีความเข้มข้น 15-20 \(\%\) และ 1\( -<\)5 \( \%\) ตามลำดับ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.อยู่ที่此之前，样品在不锈钢染色液中以50 \(^\circ\)C (\%\),分别。ก่อนหน้านั้น ตัวอย่างจะถูกดองเป็นเวลาห้านาทีที่อุณหภูมิคงที่ 50 \(^\circ\)C ในสารละลายย้อมสีสำหรับสแตนเลสที่มีความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริกและไนตริก 15-20 \(\%\) และ 1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) ตามลำดับ
แผนผังของการตั้งค่าการทดลองของการตั้งค่า DLIP แบบสองลำแสง รวมถึง (1) ลำแสงเลเซอร์ (2) เพลต \(\lambda\)/2 (3) หัว DLIP ที่มีการกำหนดค่าทางแสงบางอย่าง (4 ) จานร้อน (5) cross-fluidic , (6) x,y ขั้นตอนการวางตำแหน่ง และ (7) ชิ้นงานสแตนเลสลำแสงที่ซ้อนทับกันสองอัน ซึ่งวงกลมสีแดงทางด้านซ้าย จะสร้างโครงสร้างเชิงเส้นบนตัวอย่างที่มุม \(2\ทีต้า\) (รวมทั้งทั้งโพลาไรเซชันแบบ s- และ p)
ชุดข้อมูลที่ใช้และ/หรือวิเคราะห์ในการศึกษาปัจจุบันสามารถหาได้จากผู้เขียนตามลำดับเมื่อมีการร้องขอที่สมเหตุสมผล
เวลาโพสต์: Jan-07-2023