شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يعرض دائريًا مكونًا من ثلاث شرائح في وقت واحد.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة، أو استخدم أزرار التمرير الموجودة في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
يسمح التداخل المباشر بالليزر (DLIP) مع البنية السطحية الدورية المستحثة بالليزر (LIPSS) بإنشاء أسطح وظيفية لمختلف المواد.عادةً ما يتم زيادة إنتاجية العملية باستخدام طاقة ليزر متوسطة أعلى.إلا أن ذلك يؤدي إلى تراكم الحرارة مما يؤثر على خشونة وشكل نمط السطح الناتج.ولذلك، فمن الضروري دراسة تأثير درجة حرارة الركيزة بالتفصيل على مورفولوجية العناصر ملفقة.في هذه الدراسة، كان السطح الفولاذي منقوشًا بخط ps-DLIP عند 532 نانومتر.لدراسة تأثير درجة حرارة الركيزة على التضاريس الناتجة، تم استخدام لوحة التدفئة للتحكم في درجة الحرارة.أدى التسخين إلى 250 \(^{\circ }\)С إلى انخفاض كبير في عمق الهياكل المشكلة من 2.33 إلى 1.06 ميكرومتر.وارتبط هذا الانخفاض بظهور أنواع مختلفة من LIPSS اعتمادًا على اتجاه حبيبات الركيزة وأكسدة السطح الناتجة عن الليزر.توضح هذه الدراسة التأثير القوي لدرجة حرارة الركيزة، وهو أمر متوقع أيضًا عند إجراء المعالجة السطحية باستخدام طاقة ليزر متوسطة عالية لإحداث تأثيرات تراكم الحرارة.
تعد طرق المعالجة السطحية المعتمدة على إشعاع الليزر النبضي فائق القصر في طليعة العلوم والصناعة نظرًا لقدرتها على تحسين الخواص السطحية لأهم المواد ذات الصلة1.على وجه الخصوص، تعد وظائف الأسطح المخصصة المستحثة بالليزر أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا عبر مجموعة واسعة من القطاعات الصناعية وسيناريوهات التطبيقات1،2،3.على سبيل المثال، فيرسيلو وآخرون.تم إثبات خصائص مقاومة التجمد على سبائك التيتانيوم لتطبيقات الفضاء الجوي بناءً على كره الماء الزائد الناتج عن الليزر.أفاد إيبرلاين وزملاؤه أن السمات النانوية التي تنتجها هيكلة السطح بالليزر يمكن أن تؤثر على نمو الأغشية الحيوية أو تثبيطها في عينات الفولاذ 5 .وبالإضافة إلى ذلك، غواي وآخرون.كما أدى إلى تحسين الخصائص البصرية للخلايا الشمسية العضوية.6 وبالتالي، تسمح البنية بالليزر بإنتاج عناصر هيكلية عالية الدقة عن طريق الاجتثاث المتحكم فيه للمواد السطحية1.
إحدى تقنيات هيكلة الليزر المناسبة لإنتاج مثل هذه الهياكل السطحية الدورية هي تشكيل التداخل المباشر بالليزر (DLIP).يعتمد DLIP على التداخل القريب من السطح لاثنين أو أكثر من أشعة الليزر لتشكيل أسطح منقوشة ذات خصائص في نطاق الميكرومتر والنانومتر.اعتمادًا على عدد واستقطاب أشعة الليزر، يمكن لـ DLIP تصميم وإنشاء مجموعة واسعة من الهياكل السطحية الطبوغرافية.يتمثل النهج الواعد في الجمع بين هياكل DLIP والهياكل السطحية الدورية المستحثة بالليزر (LIPSS) لإنشاء تضاريس سطحية ذات تسلسل هرمي هيكلي معقد8،9،10،11،12.في الطبيعة، ثبت أن هذه التسلسلات الهرمية توفر أداءً أفضل من النماذج أحادية النطاق.
تخضع وظيفة LIPSS لعملية تضخيم ذاتي (ردود فعل إيجابية) تعتمد على تعديل متزايد بالقرب من السطح لتوزيع شدة الإشعاع.ويرجع ذلك إلى زيادة خشونة النانو مع زيادة عدد نبضات الليزر المطبقة 14، 15، 16. يحدث التعديل بشكل رئيسي بسبب تداخل الموجة المنبعثة مع المجال الكهرومغناطيسي 15،17،18،19،20،21 من المنكسر و مكونات الموجة المتناثرة أو البلازمونات السطحية.يتأثر تكوين LIPSS أيضًا بتوقيت النبضات .على وجه الخصوص، لا غنى عن قوى الليزر المتوسطة الأعلى للمعالجات السطحية عالية الإنتاجية.وهذا يتطلب عادة استخدام معدلات تكرار عالية، أي في نطاق ميغاهيرتز.وبالتالي، فإن المسافة الزمنية بين نبضات الليزر أقصر، مما يؤدي إلى تأثيرات تراكم الحرارة 23، 24، 25، 26. ويؤدي هذا التأثير إلى زيادة إجمالية في درجة حرارة السطح، مما يمكن أن يؤثر بشكل كبير على آلية الزخرفة أثناء الاستئصال بالليزر.
في العمل السابق، رودنكو وآخرون.و تزيبيديس وآخرون.وتناقش آلية تشكيل هياكل الحمل الحراري، والتي ينبغي أن تصبح ذات أهمية متزايدة مع زيادة تراكم الحرارة.وبالإضافة إلى ذلك، باور وآخرون.ربط الكمية الحرجة من تراكم الحرارة مع الهياكل السطحية ميكرون.على الرغم من عملية تشكيل البنية المستحثة حرارياً، يُعتقد عمومًا أنه يمكن تحسين إنتاجية العملية ببساطة عن طريق زيادة معدل التكرار.على الرغم من أن هذا بدوره لا يمكن تحقيقه دون زيادة كبيرة في تخزين الحرارة.ولذلك، فإن استراتيجيات العملية التي توفر طوبولوجيا متعددة المستويات قد لا تكون قابلة للنقل إلى معدلات تكرار أعلى دون تغيير حركية العملية وتكوين البنية.في هذا الصدد، من المهم جدًا التحقيق في كيفية تأثير درجة حرارة الركيزة على عملية تكوين DLIP، خاصة عند عمل أنماط سطح الطبقات بسبب التكوين المتزامن لـ LIPSS.
كان الهدف من هذه الدراسة هو تقييم تأثير درجة حرارة الركيزة على تضاريس السطح الناتجة أثناء معالجة DLIP للفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام نبضات ps.أثناء المعالجة بالليزر، تم رفع درجة حرارة ركيزة العينة إلى 250 \(^\circ\)C باستخدام لوحة التسخين.تم تشخيص الهياكل السطحية الناتجة باستخدام الفحص المجهري متحد البؤر، والمجهر الإلكتروني الماسح، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة.
في السلسلة الأولى من التجارب، تمت معالجة الركيزة الفولاذية باستخدام تكوين DLIP ثنائي الشعاع مع فترة مكانية قدرها 4.5 ميكرومتر ودرجة حرارة الركيزة \(T_{\mathrm {s}}\) 21 \(^{\circ) }\)C، والمشار إليه فيما بعد بالسطح "غير المدفأ".في هذه الحالة، تداخل النبض \(o_{\mathrm {p}}\) هو المسافة بين نبضتين كدالة لحجم البقعة.يتراوح من 99.0% (100 نبضة لكل موضع) إلى 99.67% (300 نبضة لكل موضع).في جميع الحالات، تم استخدام كثافة الطاقة القصوى \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0.5 J/cm\(^2\) (لمكافئ غاوسي دون تدخل) وتردد التكرار f = 200 كيلو هرتز.يكون اتجاه استقطاب شعاع الليزر موازيًا لحركة جدول تحديد المواقع (الشكل 1 أ))، وهو موازٍ لاتجاه الهندسة الخطية الناتجة عن نمط التداخل ثنائي الشعاع.تظهر الصور التمثيلية للهياكل التي تم الحصول عليها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) في الشكلين.1أ-ج.لدعم تحليل صور SEM من حيث التضاريس، تم إجراء تحويلات فورييه (FFTs، الموضحة في الأشكال المظلمة) على الهياكل التي يتم تقييمها.في جميع الحالات، كانت هندسة DLIP الناتجة مرئية بفترة مكانية قدرها 4.5 ميكرومتر.
بالنسبة للحالة \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% في المنطقة الأكثر قتامة في الشكل.في الشكل 1 أ، المطابق لموضع الحد الأقصى للتداخل، يمكن للمرء ملاحظة الأخاديد التي تحتوي على هياكل متوازية أصغر.وهي تتناوب مع أشرطة أكثر سطوعًا مغطاة بتضاريس تشبه الجسيمات النانوية.لأن البنية الموازية بين الأخاديد تبدو متعامدة مع استقطاب شعاع الليزر ولها فترة زمنية قدرها \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) 418\(\pm 65\) نانومتر، قليلاً يمكن تسمية أقل من الطول الموجي لليزر \(\lambda\) (532 نانومتر) بـ LIPSS بتردد مكاني منخفض (LSFL-I) 15،18.تنتج LSFL-I ما يسمى بإشارة من النوع s في FFT، وهي تشتت "s" 15،20.ولذلك، تكون الإشارة متعامدة مع العنصر الرأسي المركزي القوي، والذي بدوره يتم إنشاؤه بواسطة بنية DLIP (\(\Lambda _{\mathrm {DLIP}}\) \(\approx\) 4.5 ميكرومتر).يشار إلى الإشارة الناتجة عن البنية الخطية لنمط DLIP في صورة FFT باسم "نوع DLIP".
صور SEM للهياكل السطحية التي تم إنشاؤها باستخدام DLIP.كثافة الطاقة القصوى هي \(\Phi _\mathrm {p}\) = 0.5 J/cm\(^2\) (لمكافئ غاوسي بدون ضوضاء) ومعدل التكرار f = 200 كيلو هرتز.تُظهر الصور درجة حرارة العينة والاستقطاب والتراكب.يتم تمييز حركة مرحلة التوطين بسهم أسود في (أ).يُظهر الشكل الداخلي الأسود تحويل FFT المقابل الذي تم الحصول عليه من صورة SEM مقاس 37.25\(\times\)37.25 ميكرومتر (تظهر حتى يصبح ناقل الموجة \(\vec {k}\cdot (2\pi )^ {-1}\) = 200 نانومتر).يشار إلى معلمات العملية في كل شكل.
بالنظر إلى الشكل 1، يمكنك أن ترى أنه مع زيادة التداخل \(o_{\mathrm {p}}\)، فإن الإشارة السيني تكون أكثر تركيزًا نحو المحور السيني لـ FFT.يميل باقي LSFL-I إلى أن يكون أكثر توازيًا.بالإضافة إلى ذلك، انخفضت الكثافة النسبية للإشارة من النوع s وزادت شدة الإشارة من النوع DLIP.ويرجع ذلك إلى الخنادق الواضحة بشكل متزايد مع المزيد من التداخل.أيضًا، يجب أن تأتي إشارة المحور السيني بين النوع s والمركز من بنية بنفس اتجاه LSFL-I ولكن بفترة أطول (\(\Lambda _\mathrm {b}\) \(\approx \ ) 1.4 ± 0.2 ميكرومتر) كما هو مبين في الشكل 1ج).ولذلك يفترض أن تكونها عبارة عن نمط من الحفر في وسط الخندق.تظهر الميزة الجديدة أيضًا في نطاق التردد العالي (الرقم الموجي الكبير) للإحداثي.تأتي الإشارة من تموجات متوازية على منحدرات الخندق، على الأرجح بسبب تداخل الضوء الساقط والضوء المنعكس للأمام على المنحدرات9،14.فيما يلي، يُشار إلى هذه التموجات بالرمز LSFL \ (_ \ mathrm {edge} \)، وإشاراتها – بالنوع -s \ (_ {\mathrm {p)) \).
في التجربة التالية، تم رفع درجة حرارة العينة إلى 250 درجة مئوية تحت ما يسمى بالسطح "الساخن".تم إجراء الهيكلة وفقًا لنفس استراتيجية المعالجة مثل التجارب المذكورة في القسم السابق (الأشكال 1 أ-1 ج).تصور صور SEM التضاريس الناتجة كما هو موضح في الشكل 1 د-و.تسخين العينة إلى 250 درجة مئوية يؤدي إلى زيادة في مظهر LSFL، الذي يكون اتجاهه موازيا لاستقطاب الليزر.يمكن وصف هذه الهياكل بأنها LSFL-II ولها فترة مكانية \(\Lambda _\mathrm {LSFL-II}\) تبلغ 247 ± 35 نانومتر.لا يتم عرض إشارة LSFL-II في تحويل فورييه السريع (FFT) بسبب تردد الوضع العالي.مع زيادة \(o_{\mathrm {p}}\) من 99.0 إلى 99.67\(\%\) (الشكل 1d – e)، زاد عرض منطقة النطاق الساطع، مما أدى إلى ظهور إشارة DLIP لأكثر من ترددات عالية.أرقام الموجات (الترددات المنخفضة) وبالتالي التحول نحو مركز FFT.قد تكون صفوف الحفر في الشكل 1 د هي سلائف ما يسمى بالأخاديد المتكونة بشكل عمودي على LSFL-I22،27.بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن LSFL-II أصبح أقصر وغير منتظم الشكل.لاحظ أيضًا أن متوسط حجم الأشرطة المضيئة ذات مورفولوجيا الحبوب النانوية يكون أصغر في هذه الحالة.بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أن توزيع حجم هذه الجسيمات النانوية كان أقل تشتتًا (أو أدى إلى تكتل أقل للجسيمات) مقارنة بدون تسخين.ومن الناحية النوعية، يمكن تقييم ذلك من خلال مقارنة الأشكال 1أ، د أو ب، هـ، على التوالي.
مع زيادة التداخل \ (o_ {\ mathrm {p}}\) إلى 99.67٪ (الشكل 1f)، ظهرت تضاريس متميزة تدريجيًا بسبب الأخاديد الواضحة بشكل متزايد.ومع ذلك، تبدو هذه الأخاديد أقل ترتيبًا وأقل عمقًا مما هي عليه في الشكل 1ج.يظهر التباين المنخفض بين المناطق الفاتحة والداكنة في الصورة من حيث الجودة.يتم دعم هذه النتائج أيضًا من خلال الإشارة الأضعف والأكثر تناثرًا لإحداثيات FFT في الشكل 1f مقارنةً بـ FFT في c.كانت السطور الأصغر واضحة أيضًا عند التسخين عند مقارنة الشكلين 1 ب وه، وهو ما تم تأكيده لاحقًا بواسطة الفحص المجهري متحد البؤر.
بالإضافة إلى التجربة السابقة، تم تدوير استقطاب شعاع الليزر بمقدار 90 \(^{\circ}\)، مما تسبب في تحرك اتجاه الاستقطاب بشكل عمودي على منصة تحديد المواقع.على الشكل.يُظهر الشكل 2a-c المراحل الأولى لتكوين الهيكل، \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0% في حالة غير مسخنة (a)، ومسخنة (b) ومسخنة 90\(^{\ circ }\ ) - الحالة مع الاستقطاب الدوري (ج).لتصور الطوبوغرافيا النانوية للهياكل، تظهر في الشكلين المناطق المميزة بالمربعات الملونة.2 د، على نطاق موسع.
صور SEM للهياكل السطحية التي تم إنشاؤها باستخدام DLIP.معلمات العملية هي نفسها كما في الشكل 1.تُظهر الصورة درجة حرارة العينة \(T_s\) والاستقطاب وتداخل النبض \(o_\mathrm {p}\).يُظهر الشكل الداخلي الأسود مرة أخرى تحويل فورييه المقابل.الصور الموجودة في (د)-(ط) هي تكبير المناطق المحددة في (أ)-(ج).
في هذه الحالة، يمكن ملاحظة أن الهياكل الموجودة في المناطق الداكنة في الشكل 2 ب، ج حساسة للاستقطاب وبالتالي يتم تصنيفها على أنها LSFL-II14، 20، 29، 30. والجدير بالذكر أن اتجاه LSFL-I يتم تدويره أيضًا ( الشكل 2g، i)، والذي يمكن رؤيته من اتجاه إشارة النوع s في تحويل FFT المقابل.يبدو عرض النطاق الترددي لفترة LSFL-I أكبر مقارنة بالفترة b، ويتم تحويل نطاقه نحو فترات أصغر في الشكل 2 ج، كما يتضح من إشارة النوع s الأكثر انتشارًا.وبالتالي، يمكن ملاحظة الفترة المكانية LSFL التالية على العينة عند درجات حرارة تسخين مختلفة: \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 418\(\pm 65\) نانومتر عند 21 ^{ \circ }\ )C (الشكل 2 أ)، \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I}}\) = 445\(~\pm\) 67 نانومتر و\(\Lambda _{\mathrm {LSFL-II }} \) = 247 ± 35 نانومتر عند 250 درجة مئوية (الشكل 2 ب) للاستقطاب s.على العكس من ذلك، فإن الفترة المكانية للاستقطاب p و250 \(^{\circ }\)C تساوي \(\Lambda _{\mathrm {LSFL-I))\) = 390\(\pm 55\ ) نانومتر و \ (\ Lambda_ {\ mathrm {LSFL-II}} \) = 265 ± 35 نانومتر (الشكل 2 ج).
والجدير بالذكر أن النتائج تظهر أنه بمجرد زيادة درجة حرارة العينة، يمكن أن يتحول مورفولوجيا السطح بين طرفين، بما في ذلك (1) سطح يحتوي على عناصر LSFL-I فقط و(2) منطقة مغطاة بـ LSFL-II.نظرًا لأن تكوين هذا النوع المعين من LIPSS على الأسطح المعدنية يرتبط بطبقات الأكسيد السطحي، فقد تم إجراء تحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX).ويلخص الجدول 1 النتائج التي تم الحصول عليها.يتم تنفيذ كل تحديد عن طريق حساب متوسط أربعة أطياف على الأقل في أماكن مختلفة على سطح العينة المعالجة.يتم إجراء القياسات عند درجات حرارة مختلفة للعينة \(T_\mathrm{s}\) ومواضع مختلفة لسطح العينة تحتوي على مناطق غير منظمة أو منظمة.تحتوي القياسات أيضًا على معلومات حول الطبقات العميقة غير المؤكسدة التي تقع مباشرة أسفل المنطقة المنصهرة المعالجة، ولكن ضمن عمق اختراق الإلكترون لتحليل EDX.ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن EDX محدود في قدرته على قياس محتوى الأكسجين، لذا فإن هذه القيم هنا لا يمكن إلا أن تعطي تقييمًا نوعيًا.
ولم تظهر الأجزاء غير المعالجة من العينات كميات كبيرة من الأكسجين في جميع درجات حرارة التشغيل.بعد العلاج بالليزر، زادت مستويات الأكسجين في جميع الحالات.كان الفرق في التركيب العنصري بين العينتين غير المعالجتين كما هو متوقع بالنسبة لعينات الفولاذ التجارية، وتم العثور على قيم كربون أعلى بكثير مقارنة بورقة بيانات الشركة المصنعة للصلب AISI 304 بسبب التلوث الهيدروكربوني.
قبل مناقشة الأسباب المحتملة لانخفاض عمق الاجتثاث الأخدود والانتقال من LSFL-I إلى LSFL-II، يتم استخدام الكثافة الطيفية للطاقة (PSD) وملامح الارتفاع.
(ط) تظهر الكثافة الطيفية للقدرة شبه ثنائية الأبعاد (Q2D-PSD) للسطح كصور SEM في الشكلين 1 و2. 1 و2. وبما أنه تم تطبيع PSD، ينبغي أن يكون الانخفاض في إشارة المجموع يُفهم على أنه زيادة في الجزء الثابت (k \(\le\) 0.7 ميكرومتر\(^{-1}\)، غير موضح)، أي النعومة.(2) المقابلة لمتوسط ارتفاع السطح.تظهر درجة حرارة العينة \ (T_s \) والتداخل \ (o _ {\ mathrm {p}}\) واستقطاب الليزر E بالنسبة للاتجاه \ (\ vec {v} \) لحركة منصة تحديد المواقع في جميع المخططات.
لقياس انطباع صور SEM، تم إنشاء متوسط طيف القدرة الطبيعي من ثلاث صور SEM على الأقل لكل معلمة تم تعيينها عن طريق حساب متوسط جميع الكثافات الطيفية للقدرة أحادية البعد (1D) (PSDs) في الاتجاه x أو y.يظهر الرسم البياني المقابل في الشكل 3i الذي يوضح تحول تردد الإشارة ومساهمتها النسبية في الطيف.
على الشكل.3ia، c، e، تنمو ذروة DLIP بالقرب من \(k_{\mathrm {DLIP}}~=~2\pi\) (4.5 ميكرومتر)\(^{-1}\) = 1.4 ميكرومتر \ ( ^{- 1}\) أو التوافقيات الأعلى المقابلة مع زيادة التداخل \(o_{\mathrm {p))\).ارتبطت الزيادة في السعة الأساسية بتطور أقوى لهيكل LRIB.يزداد اتساع التوافقيات الأعلى مع انحدار المنحدر.بالنسبة للدوال المستطيلة كحالات محددة، يتطلب التقريب أكبر عدد من الترددات.لذلك، يمكن استخدام الذروة التي تبلغ حوالي 1.4 ميكرومتر\(^{-1}\) في PSD والتوافقيات المقابلة كمعلمات جودة لشكل الأخدود.
على العكس من ذلك، كما هو مبين في الشكل 3 (ط) ب، د، و، يظهر PSD للعينة الساخنة قمم أضعف وأوسع مع إشارة أقل في التوافقيات المعنية.بالإضافة إلى ذلك، في الشكل.يوضح الشكل 3(i)f أن الإشارة التوافقية الثانية تتجاوز الإشارة الأساسية.يعكس هذا بنية DLIP الأكثر انتظامًا والأقل وضوحًا للعينة الساخنة (مقارنة بـ \(T_s\) = 21\(^\circ\)C).ميزة أخرى هي أنه مع زيادة التداخل \(o_{\mathrm {p}}\)، تتحول إشارة LSFL-I الناتجة نحو رقم موجة أصغر (فترة أطول).يمكن تفسير ذلك من خلال زيادة انحدار حواف وضع DLIP والزيادة المحلية المرتبطة بها في زاوية الإصابة .باتباع هذا الاتجاه، يمكن أيضًا تفسير توسيع إشارة LSFL-I.بالإضافة إلى المنحدرات الشديدة، هناك أيضًا مناطق مسطحة في الجزء السفلي وفوق قمم هيكل DLIP، مما يسمح بنطاق أوسع من فترات LSFL-I.بالنسبة للمواد عالية الامتصاص، عادة ما يتم تقدير فترة LSFL-I على النحو التالي:
حيث \(\theta\) هي زاوية الإصابة، ويشير المشتركان s وp إلى استقطابات مختلفة .
تجدر الإشارة إلى أن مستوى الإصابة لإعداد DLIP عادة ما يكون متعامدًا مع حركة منصة تحديد المواقع، كما هو موضح في الشكل 4 (انظر قسم المواد والأساليب).لذلك، يكون الاستقطاب s، كقاعدة عامة، موازيًا لحركة المسرح، ويكون الاستقطاب p متعامدًا معه.وفقا للمعادلة.(1) ، بالنسبة للاستقطاب s، من المتوقع انتشار وتحول إشارة LSFL-I نحو أرقام موجية أصغر.ويرجع ذلك إلى الزيادة في \(\theta\) والمدى الزاوي \(\theta \pm \delta \theta\) مع زيادة عمق الخندق.يمكن ملاحظة ذلك من خلال مقارنة قمم LSFL-I في الشكل 3ia،c،e.
وفقا للنتائج الموضحة في الشكل.في الشكل 1 ج، يظهر أيضًا LSFL\(_\mathrm {edge}\) في ملف PSD المقابل في الشكل.3ie.على الشكل.يُظهر الشكل 3ig,h ملف PSD للاستقطاب p.يكون الفرق في قمم DLIP أكثر وضوحًا بين العينات الساخنة وغير الساخنة.في هذه الحالة، تتداخل الإشارة الصادرة من LSFL-I مع التوافقيات الأعلى لذروة DLIP، مما يضيف إلى الإشارة القريبة من الطول الموجي لليزر.
ولمناقشة النتائج بمزيد من التفصيل، يوضح الشكل 3ii العمق الهيكلي والتداخل بين نبضات توزيع الارتفاع الخطي DLIP عند درجات حرارة مختلفة.تم الحصول على ملف تعريف الارتفاع الرأسي للسطح من خلال متوسط عشرة ملفات تعريف ارتفاع عمودي فردية حول مركز هيكل DLIP.لكل درجة حرارة مطبقة، يزداد عمق الهيكل مع زيادة تداخل النبض.يُظهر ملف تعريف العينة الساخنة أخاديد بمتوسط قيم من الذروة إلى الذروة (pvp) تبلغ 0.87 ميكرومتر للاستقطاب s و 1.06 ميكرومتر للاستقطاب p.في المقابل، يظهر الاستقطاب s والاستقطاب p للعينة غير المسخنة حماية الأصناف النباتية بمقدار 1.75 ميكرومتر و2.33 ميكرومتر، على التوالي.تم توضيح حماية الأصناف النباتية المقابلة في ملف تعريف الارتفاع في الشكل.3ii.يتم حساب كل متوسط في وضع لاعب ضد لاعب (PvP) بمتوسط ثمانية لاعبين فرديين في وضع لاعب ضد لاعب (PvP).
بالإضافة إلى ذلك، في الشكل.يُظهر الشكل 3iig، h توزيع ارتفاع الاستقطاب p بشكل عمودي على نظام تحديد المواقع وحركة الأخدود.اتجاه الاستقطاب p له تأثير إيجابي على عمق الأخدود لأنه يؤدي إلى حماية الأصناف النباتية أعلى قليلاً عند 2.33 ميكرومتر مقارنةً بالاستقطاب s عند 1.75 ميكرومتر pvp.وهذا بدوره يتوافق مع الأخاديد وحركة نظام منصة تحديد المواقع.يمكن أن يكون سبب هذا التأثير بنية أصغر في حالة الاستقطاب s مقارنة بحالة الاستقطاب p (انظر الشكل 2f،h)، والذي سيتم مناقشته بمزيد من التفصيل في القسم التالي.
الغرض من المناقشة هو شرح الانخفاض في عمق الأخدود بسبب التغيير في فئة LIPS الرئيسية (LSFL-I إلى LSFL-II) في حالة العينات الساخنة.إذن أجب عن الأسئلة التالية:
للإجابة على السؤال الأول، لا بد من النظر في الآليات المسؤولة عن الحد من الاجتثاث.بالنسبة لنبضة واحدة عند حدوثها بشكل طبيعي، يمكن وصف عمق الاجتثاث على النحو التالي:
حيث \(\delta _{\mathrm {E}}\) هو عمق اختراق الطاقة، \(\Phi\) و \(\Phi _{\mathrm {th}}\) هما فلوين الامتصاص وفلورا الاجتثاث العتبة، على التوالي 34 .
رياضيا، عمق اختراق الطاقة له تأثير مضاعف على عمق الاجتثاث، في حين أن التغير في الطاقة له تأثير لوغاريتمي.لذا فإن تغييرات الطلاقة لا تؤثر على \(\Delta z\) طالما أن \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\).ومع ذلك، فإن الأكسدة القوية (على سبيل المثال، بسبب تكوين أكسيد الكروم) تؤدي إلى روابط Cr-O35 أقوى مقارنة بروابط Cr-Cr، وبالتالي زيادة عتبة الاجتثاث.وبالتالي، لم يعد \(\Phi ~\gg ~\Phi _{\mathrm {th}}\) راضيًا، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في عمق الاجتثاث مع انخفاض كثافة تدفق الطاقة.بالإضافة إلى ذلك، هناك علاقة معروفة بين حالة الأكسدة وفترة LSFL-II، والتي يمكن تفسيرها بالتغيرات في البنية النانوية نفسها والخصائص البصرية للسطح الناتجة عن أكسدة السطح .لذلك، فإن التوزيع السطحي الدقيق لتدفق الامتصاص \(\Phi\) يرجع إلى الديناميكيات المعقدة للتفاعل بين الفترة الهيكلية وسمك طبقة الأكسيد.اعتمادًا على الفترة، تؤثر البنية النانوية بقوة على توزيع تدفق الطاقة الممتصة بسبب الزيادة الحادة في المجال، أو إثارة البلازمونات السطحية، أو نقل الضوء غير العادي أو التشتت.لذلك، \(\Phi\) غير متجانس بشدة بالقرب من السطح، وربما لم يعد \(\delta _ {E}\) ممكنًا مع معامل امتصاص واحد \(\alpha = \delta _{\mathrm {opt} } ^ { -1} \approx \delta _{\mathrm {E}}^{-1}\) لكامل الحجم القريب من السطح.نظرًا لأن سمك طبقة الأكسيد يعتمد إلى حد كبير على وقت التصلب [26]، فإن تأثير التسمية يعتمد على درجة حرارة العينة.تشير الصور المجهرية الضوئية الموضحة في الشكل S1 في المادة التكميلية إلى تغييرات في الخصائص البصرية.
تشرح هذه التأثيرات جزئيًا عمق الخندق الضحل في حالة الهياكل السطحية الصغيرة في الأشكال 1d وe و2b وc و3(ii)b,d,f.
من المعروف أن LSFL-II يتشكل على أشباه الموصلات والمواد العازلة والمواد المعرضة للأكسدة .في الحالة الأخيرة، سمك طبقة أكسيد السطح مهم بشكل خاص.كشف تحليل EDX الذي تم إجراؤه عن تكوين أكاسيد سطحية على السطح المنظم.وبالتالي، بالنسبة للعينات غير المسخنة، يبدو أن الأكسجين المحيط يساهم في التكوين الجزئي للجسيمات الغازية وتكوين الأكاسيد السطحية جزئيًا.كلا الظاهرتين تقدم مساهمة كبيرة في هذه العملية.على العكس من ذلك، بالنسبة للعينات الساخنة، أكاسيد فلزية ذات حالات أكسدة مختلفة (SiO\(_{\mathrm {2}}\)، Cr\(_{\mathrm {n}} \)O\(_{\mathrm { m}}\ )، Fe\(_{\mathrm {n}}\)O\(_{\mathrm {m}}\)، NiO، وما إلى ذلك) واضحة 38 لصالح.بالإضافة إلى طبقة الأكسيد المطلوبة، فإن وجود خشونة الطول الموجي، وخاصة التردد المكاني العالي LIPSS (HSFL)، ضروري لتشكيل أوضاع كثافة الطول الموجي المطلوب (النوع d).وضع الكثافة LSFL-II النهائي هو دالة لسعة HSFL وسمك الأكسيد.السبب في هذا الوضع هو تداخل المجال البعيد للضوء المتناثر بواسطة HSFL والضوء المنكسر في المادة وينتشر داخل المادة العازلة السطحية .تشير صور SEM لحافة نمط السطح في الشكل S2 في قسم المواد التكميلية إلى وجود HSFL موجود مسبقًا.تتأثر هذه المنطقة الخارجية بشكل ضعيف بمحيط توزيع الكثافة، مما يسمح بتكوين HSFL.ونظرًا لتماثل توزيع الكثافة، يحدث هذا التأثير أيضًا على طول اتجاه المسح.
يؤثر تسخين العينة على عملية تكوين LSFL-II بعدة طرق.من ناحية، فإن الزيادة في درجة حرارة العينة \(T_\mathrm{s}\) لها تأثير أكبر بكثير على معدل التصلب والتبريد من سمك الطبقة المنصهرة.وبالتالي، يتم تعريض السطح البيني السائل للعينة الساخنة للأكسجين المحيط لفترة أطول من الزمن.بالإضافة إلى ذلك، يسمح التصلب المتأخر بتطوير عمليات الحمل الحراري المعقدة التي تزيد من خلط الأكسجين والأكاسيد مع الفولاذ السائل.يمكن إثبات ذلك من خلال مقارنة سمك طبقة الأكسيد المتكونة فقط عن طريق الانتشار (\(\Lambda _\mathrm {diff}=\sqrt{D~\times ~t_\mathrm {s}}~\le ~15\) نانومتر) وقت التخثر المقابل هو \(t_\mathrm {s}~\le ~200\) ns، ومعامل الانتشار \(D~\le\) 10\(^{-5}\) cm\(^ 2 \ )/s) تمت ملاحظة سمك أعلى بشكل ملحوظ أو كان مطلوبًا في تكوين LSFL-II30.من ناحية أخرى، يؤثر التسخين أيضًا على تكوين HSFL وبالتالي الأجسام المتناثرة المطلوبة للانتقال إلى وضع الكثافة من النوع d LSFL-II.يشير تعرض الأجسام النانوية المحاصرة تحت السطح إلى تورطها في تكوين HSFL39.قد تمثل هذه العيوب الأصل الكهرومغناطيسي لـ HSFL بسبب أنماط الكثافة الدورية عالية التردد المطلوبة .وبالإضافة إلى ذلك، فإن أوضاع الكثافة المولدة هذه تكون أكثر اتساقًا مع عدد كبير من الفراغات النانوية.وبالتالي، يمكن تفسير سبب زيادة حدوث HSFL من خلال التغير في ديناميكيات العيوب البلورية مع زيادة \(T_\mathrm{s}\).
لقد ثبت مؤخرًا أن معدل تبريد السيليكون هو معلمة أساسية للتشبع الخلالي الجوهري وبالتالي لتراكم العيوب النقطية مع تكوين الاضطرابات .أظهرت محاكاة الديناميكيات الجزيئية للمعادن النقية أن الشواغر المفرطة أثناء إعادة البلورة السريعة، وبالتالي فإن تراكم الشواغر في المعادن يستمر بطريقة مماثلة .بالإضافة إلى ذلك، ركزت الدراسات التجريبية الحديثة للفضة على آلية تكوين الفراغات والعناقيد بسبب تراكم العيوب النقطية.لذلك، فإن زيادة درجة حرارة العينة \(T_\mathrm {s}\) وبالتالي انخفاض معدل التبريد يمكن أن يؤثر على تكوين الفراغات، وهي نوى HSFL.
إذا كانت الشواغر هي السلائف الضرورية للتجويف وبالتالي HSFL، فيجب أن يكون لدرجة حرارة العينة \(T_s\) تأثيران.فمن ناحية يؤثر \(T_s\) على معدل إعادة التبلور وبالتالي على تركيز العيوب النقطية (تركيز الشواغر) في البلورة المزروعة.ومن ناحية أخرى، فإنه يؤثر أيضًا على معدل التبريد بعد التصلب، مما يؤثر على انتشار العيوب النقطية في البلورة 40,41.بالإضافة إلى ذلك، يعتمد معدل التصلب على الاتجاه البلوري وبالتالي فهو متباين الخواص بدرجة كبيرة، كما هو الحال مع انتشار عيوب النقطة .وفقًا لهذه الفرضية، نظرًا للاستجابة متباينة الخواص للمادة، يصبح تفاعل الضوء والمادة متباين الخواص، مما يؤدي بدوره إلى تضخيم هذا الإطلاق الدوري الحتمي للطاقة.بالنسبة للمواد متعددة البلورات، يمكن أن يكون هذا السلوك محدودًا بحجم حبة واحدة.في الواقع، تم إثبات تكوين LIPSS اعتمادًا على اتجاه الحبوب .ولذلك، فإن تأثير درجة حرارة العينة \(T_s\) على معدل التبلور قد لا يكون بنفس قوة تأثير اتجاه الحبوب.وبالتالي، فإن التوجه البلوري المختلف للحبوب المختلفة يوفر تفسيرًا محتملاً للزيادة في الفراغات وتجميع HSFL أو LSFL-II، على التوالي.
ولتوضيح الدلالات الأولية لهذه الفرضية، تم حفر العينات الخام للكشف عن تكوين الحبوب بالقرب من السطح.مقارنة الحبوب في الشكل.يظهر S3 في المواد التكميلية.بالإضافة إلى ذلك، ظهر LSFL-I وLSFL-II في مجموعات على عينات ساخنة.يتوافق حجم وهندسة هذه المجموعات مع حجم الحبوب.
علاوة على ذلك، فإن HSFL يحدث فقط في نطاق ضيق بكثافة تدفق منخفضة بسبب أصله الحراري.لذلك، في التجارب، ربما يحدث هذا فقط على محيط ملف تعريف الحزمة.لذلك، تشكل HSFL على الأسطح غير المؤكسدة أو المؤكسدة بشكل ضعيف، والذي أصبح واضحًا عند مقارنة أجزاء الأكسيد في العينات المعالجة وغير المعالجة (انظر الجدول reftab: مثال).وهذا يؤكد الافتراض بأن طبقة الأكسيد يتم تحفيزها بشكل رئيسي بواسطة الليزر.
وبالنظر إلى أن تكوين LIPSS يعتمد عادة على عدد النبضات بسبب ردود الفعل بين النبضات، يمكن استبدال HSFLs بهياكل أكبر مع زيادة تداخل النبض.ينتج عن HSFL الأقل انتظامًا نمط كثافة أقل انتظامًا (الوضع d) المطلوب لتشكيل LSFL-II.لذلك، مع زيادة تداخل \(o_\mathrm {p}\) (انظر الشكل 1 من de)، يتناقص انتظام LSFL-II.
بحثت هذه الدراسة في تأثير درجة حرارة الركيزة على الشكل السطحي للفولاذ المقاوم للصدأ المعالج بـ DLIP بالليزر.لقد وجد أن تسخين الركيزة من 21 إلى 250 درجة مئوية يؤدي إلى انخفاض في عمق الاجتثاث من 1.75 إلى 0.87 ميكرومتر في الاستقطاب s ومن 2.33 إلى 1.06 ميكرومتر في الاستقطاب p.يرجع هذا الانخفاض إلى التغير في نوع LIPSS من LSFL-I إلى LSFL-II، والذي يرتبط بطبقة أكسيد سطحية مستحثة بالليزر عند درجة حرارة أعلى للعينة.بالإضافة إلى ذلك، قد يزيد LSFL-II من تدفق العتبة بسبب زيادة الأكسدة.من المفترض أنه في هذا النظام التكنولوجي الذي يتميز بتداخل النبض العالي ومتوسط كثافة الطاقة ومتوسط معدل التكرار، يتم تحديد حدوث LSFL-II أيضًا من خلال التغير في ديناميكيات الخلع الناجم عن تسخين العينة.من المفترض أن يكون تجميع LSFL-II ناتجًا عن تكوين نانوي يعتمد على اتجاه الحبوب، مما يؤدي إلى HSFL كمقدمة لـ LSFL-II.بالإضافة إلى ذلك تمت دراسة تأثير اتجاه الاستقطاب على الفترة الهيكلية وعرض نطاق الفترة الهيكلية.اتضح أن الاستقطاب p أكثر كفاءة لعملية DLIP من حيث عمق الاجتثاث.بشكل عام، تكشف هذه الدراسة عن مجموعة من معلمات العملية للتحكم في عمق استئصال DLIP وتحسينه لإنشاء أنماط سطحية مخصصة.أخيرًا، يكون الانتقال من LSFL-I إلى LSFL-II مدفوعًا بالحرارة بالكامل ومن المتوقع حدوث زيادة طفيفة في معدل التكرار مع تداخل النبض المستمر بسبب زيادة تراكم الحرارة.كل هذه الجوانب ذات صلة بالتحدي القادم المتمثل في توسيع عملية DLIP، على سبيل المثال من خلال استخدام أنظمة المسح المضلع.لتقليل تراكم الحرارة، يمكن اتباع الإستراتيجية التالية: الحفاظ على سرعة المسح الضوئي للماسح الضوئي المضلع بأعلى مستوى ممكن، مع الاستفادة من حجم بقعة الليزر الأكبر، والمتعامد مع اتجاه المسح، واستخدام الاجتثاث الأمثل.فلوينس 28. بالإضافة إلى ذلك، تسمح هذه الأفكار بإنشاء تضاريس هرمية معقدة لوظائف السطح المتقدمة باستخدام DLIP.
في هذه الدراسة، تم استخدام ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ المصقولة كهربائيًا (X5CrNi18-10، 1.4301، AISI 304) بسمك 0.8 مم.لإزالة أي ملوثات من السطح، تم غسل العينات بعناية بالإيثانول قبل المعالجة بالليزر (التركيز المطلق للإيثانول \(\ge\) 99.9%).
يظهر إعداد DLIP في الشكل 4. تم إنشاء العينات باستخدام نظام DLIP المجهز بمصدر ليزر نبضي قصير للغاية بقدرة 12 ps مع طول موجة يبلغ 532 نانومتر ومعدل تكرار أقصى قدره 50 ميجاهرتز.التوزيع المكاني لطاقة الشعاع هو غاوسي.توفر البصريات المصممة خصيصًا تكوينًا تداخليًا مزدوج الشعاع لإنشاء هياكل خطية على العينة.تقوم العدسة ذات البعد البؤري 100 مم بتركيب شعاعي ليزر إضافيين على السطح بزاوية ثابتة قدرها 6.8\(^\circ\)، مما يعطي فترة مكانية تبلغ حوالي 4.5 ميكرومتر.يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الإعداد التجريبي في مكان آخر .
قبل المعالجة بالليزر، يتم وضع العينة على لوح تسخين عند درجة حرارة معينة.تم ضبط درجة حرارة لوحة التسخين على 21 و250 درجة مئوية.في جميع التجارب، تم استخدام طائرة عرضية من الهواء المضغوط مع جهاز عادم لمنع ترسب الغبار على البصريات.يتم إعداد نظام المرحلة x,y لوضع العينة أثناء الهيكلة.
تراوحت سرعة نظام مرحلة تحديد الموقع من 66 إلى 200 ملم/ثانية للحصول على تداخل بين النبضات من 99.0 إلى 99.67 \(\%\) على التوالي.في جميع الحالات، تم تثبيت معدل التكرار عند 200 كيلو هرتز، وكان متوسط القدرة 4 واط، مما أعطى طاقة لكل نبضة قدرها 20 ميكروجول.يبلغ قطر الشعاع المستخدم في تجربة DLIP حوالي 100 ميكرومتر، وتبلغ ذروة كثافة طاقة الليزر الناتجة 0.5 J/cm\(^{2}\).إجمالي الطاقة المنطلقة لكل وحدة مساحة هو ذروة التدفق التراكمي الموافق 50 J/cm\(^2\) لـ \(o_{\mathrm {p}}\) = 99.0 \(\%\)، 100 J/cm \(^2\) لـ \(o_{\mathrm {p))\)=99.5\(\%\) و 150 J/cm\(^2\) لـ \(o_{ \mathrm {p} }\ ) = 99.67 \(\%\).استخدم اللوحة \(\lambda\)/2 لتغيير استقطاب شعاع الليزر.لكل مجموعة من المعلمات المستخدمة، يتم إنشاء مساحة تبلغ حوالي 35 × 5 مم\(^{2}\) على العينة.أجريت جميع التجارب المنظمة في ظل الظروف المحيطة لضمان قابلية التطبيق الصناعي.
تم فحص مورفولوجية العينات باستخدام مجهر متحد البؤر مع تكبير 50x ودقة بصرية ورأسية قدرها 170 نانومتر و3 نانومتر، على التوالي.ثم تم تقييم البيانات الطبوغرافية التي تم جمعها باستخدام برنامج التحليل السطحي.استخراج الملفات الشخصية من بيانات التضاريس وفقًا للمواصفة ISO 1661051.
تم تشخيص العينات أيضًا باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح بجهد تسارع قدره 6.0 كيلو فولت.تم تقييم التركيب الكيميائي لسطح العينات باستخدام ملحق التحليل الطيفي للأشعة السينية (EDS) المشتت من الطاقة عند جهد تسارع قدره 15 كيلو فولت.بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مجهر ضوئي بهدف 50x لتحديد الشكل الحبيبي للبنية المجهرية للعينات. قبل ذلك، تم حفر العينات عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 50 \(^\circ\)درجة مئوية لمدة خمس دقائق في صبغة من الفولاذ المقاوم للصدأ مع تركيز حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك بنسبة 15-20 \(\%\) و1\( -<\)5 \(\%\)، على التوالي. قبل ذلك، تم حفر العينات عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 50 \(^\circ\)درجة مئوية لمدة خمس دقائق في صبغة من الفولاذ المقاوم للصدأ مع تركيز حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك بنسبة 15-20 \(\%\) و1\( -<\)5 \(\%\)، على التوالي. قبل هذه الأشياء، يتم السفر بدرجة حرارة معتدلة تصل إلى 50 \(^\circ\) مئوية في دقيقة واحدة تقريبًا من درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة тной кислотами концентрацией 15-20 \(\%\) و 1\( -<\)5 \( \%\) رائع. قبل ذلك، تم حفر العينات عند درجة حرارة ثابتة قدرها 50 \(^\circ\)مئوية لمدة خمس دقائق في طلاء الفولاذ المقاوم للصدأ مع أحماض الهيدروكلوريك والنيتريك بتركيز 15-20 \(\%\) و1\( -<\)5 \( \%\) على التوالي.يجب أن يكون لديك ما يصل إلى 50 \(^\circ\)C من 15 إلى 20 \(\%\) و 1\( -<\)5 \ (\%\)، في الواقع.في هذه الحالة، يجب أن يكون لديك 50 \(^\circ\)C (\%\)، 分别.قبل ذلك، تم تخليل العينات لمدة خمس دقائق عند درجة حرارة ثابتة قدرها 50 \(^\circ\)مئوية في محلول تلطيخ للفولاذ المقاوم للصدأ بتركيز أحماض الهيدروكلوريك والنيتريك 15-20 \(\%\) و1 \.(-<\)5 \ (\%\) соответственно. (-<\)5 \ (\%\) على التوالي.
رسم تخطيطي للإعداد التجريبي لإعداد DLIP ثنائي الشعاع، بما في ذلك (1) شعاع ليزر، (2) لوحة \(\lambda\)/2، (3) رأس DLIP بتكوين بصري معين، (4) ) صفيحة ساخنة، (5) مائع متقاطع، (6) خطوات تحديد المواقع x،y و (7) عينات من الفولاذ المقاوم للصدأ.تقوم حزمتان متراكبتان، محاطتان بدائرة باللون الأحمر على اليسار، بإنشاء هياكل خطية على العينة عند زوايا \(2\theta\) (بما في ذلك الاستقطاب s وp).
مجموعات البيانات المستخدمة و/أو التي تم تحليلها في الدراسة الحالية متاحة من المؤلفين المعنيين بناءً على طلب معقول.
وقت النشر: 07 يناير 2023