Заједнички истраживачки тим на челу са професором Зханг Пеилеиом са Шангајског универзитета инжењерских наука, Универзитета Ланцастер, и Амплитуде Сузхоу Ласер Цо., Лтд. објавио је истраживачки рад под насловом „Електромагнетно-хидродинамичко спајање и повратне информације о морфологији у формирању и еволуцији ЛИПСС-а3 на металима{тосеирцонд} у вишеструком ласерском радију међународни часопис Апплиед Матхематицал Моделлинг. Тим је успоставио мултифизички модел који повезује електромагнетну теорију, пролазну термофизику и хидродинамику и користио је итеративну стратегију пулс{5}}по-пулс за проучавање процеса еволуције ласером-индукованих периодичних површинских структура (ЛИПСС) на површинама легуре титанијума. Комбинујући експерименталну верификацију и нумеричку симулацију, тим је открио физички механизам формирања и еволуције наноструктуре под синергистичким ефектом Марангони протока и повратног притиска под механизмом морфолошке повратне информације.
01
Увод
Ласер-индуковане периодичне површинске структуре (ЛИПСС) су физички феномен који може да генерише периодичне структуре на површинама различитих материјала (метала, полупроводника, итд.) и опширно је проучаван. ЛИПСС се генерално деле у два типа: ЛИПСС са периодом блиским ласерској таласној дужини (ЛСФЛ) и ЛИПСС са периодом много мањим од таласне дужине ласера (ХСФЛ). За класични ЛСФЛ, механизам формирања је широко прихваћен као резултат интерференције између упадног ласера и површинских плазмон поларитона (СПП) побуђених на површини материјала (електромагнетна теорија). Иако електромагнетна теорија објашњава период и правац ЛСФЛ-а, она описује само статичко почетно таложење енергије и не објашњава динамичку еволуцију материјала у растопљеном- стању изазваном ласером. Процес миграције материје у растопљеном стању преобликује површинску морфологију у периодичну комбинацију врхова и падова.
Фемтосекундна ласерска обрада има јединствене предности у области микро- и нано-производње због своје високе прецизности обраде и мале зоне захваћене топлотом{2}}. Његова ултракратка ширина импулса концентрише ласерску енергију на површини материјала у изузетно кратком времену, стварајући не-термички равнотежни фазни прелаз. Електронска топлотна проводљивост и снага-фонона спреге доминирају преносом и релаксацијом електромагнетне енергије депоноване унутар материјала током ултрабрзих процеса. Ови фактори су основни разлози за разлике у морфологији ЛИПСС-а уочених на различитим материјалима. Међутим, формирање ЛИПСС-а је кумулативни процес са више-импулса, са морфологијом површине коју генерише сваки импулс који делује као почетни гранични услов за следећи импулс. Штавише, правилност ЛИПСС-а показује снажну зависност од својстава материјала. Претходне нумеричке симулације ретко су разматрале утицај морфологије површине генерисане претходним импулсима на наредне импулсе у више-пулсним, више{13}}физичким окружењима. Промене у морфологији површине материјала у условима више-импулса доводе до нехомогености температурног поља, што заузврат утиче на прерасподелу растопљене течности изазване температурним градијентима. Ово захтева квантитативну анализу и дискусију о процесу еволуције ЛИПСС-а из перспективе-по{18}}пулс.
Обрада ласера и електронских зрака
02
Методе симулације
Да би се проучавала кумулативна еволуција ЛИПСС-а под више-пулсним фемтосекундним ласерским зрачењем и сродним механизмом позитивне повратне спреге, ток рада симулације разлаже интеракцију ласера-твар једног импулса у три повезана корака: прорачун електромагнетног поља, термодинамичка еволуција, а затим се понављају симулације флуида и динамика флуида. У овој студији фокусирамо се на процес еволуције почевши од детерминистичке површине. Симулација почиње са идеалном, глатком равнином, где се аблационе јаме генерисане ласерским параметрима и одговором материјала сматрају „ефикасном храпавошћу“ за накнадно електромагнетно спајање. У овом моделу, ова ефективна храпавост је представљена симулираном површинском аблацијом, методом која елиминише несигурности повезане са случајном почетном храпавошћу површине, омогућавајући нам да проучавамо како се ЛИПСС формира и шири на ивицама аблације и унутар површине.
03
Повратна информација о морфологији површине
Под више-пулсним фемтосекундним ласерским зрачењем, формирање ЛИПСС-а није једноставна суперпозиција једног физичког поља, већ динамички еволутивни процес у коме утицај површинске морфологије претходних импулса ступа у интеракцију са утицајем наредних импулса. Слика 2 приказује еволуцију морфологије површине материјала и одговарајућу просторну дистрибуцију електричног поља под вишеструким импулсима. За почетни импулс (Н=1), дистрибуција електричног поља на глаткој површини материјала је бочно равномерна, углавном показујући образац стојећих таласа формиран интерференцијом упадне и рефлектоване светлости. Како се број импулса повећава (Н=20, Н=30), првобитно глатка површина еволуира у плитке аблационе јаме. Не-планарни интерфејс нарушава симетрију равни и обезбеђује раштркану у-компоненту вектора раван таласа, што доводи до слабе СПП побуде на металном-ваздушном интерфејсу. Како се број импулса даље повећава (Н=40, Н=50), периодични жлебови који се појављују делују као ефикасније дифракционе решетке, што резултира јачим СПП спрегом. Као што је приказано у увећаном приказу на Н=50, интерференција између СПП-а и накнадне упадне светлости генерише просторне локалне електромагнетне вруће тачке унутар жлебова, где је интензитет електричног поља знатно већи од интензитета упадног поља.
Слика 3 илуструје еволуцију морфологије површине материјала и одговарајућу дистрибуцију температуре на мрежи под различитим бројем импулса (Н=1-50). У почетној фази (Н=1-10), аблационе јаме се формирају на равној површини. У овом тренутку, површинска температура је глатко распоређена бочно, а одговарајућа расподела температуре показује низак и широк врх, одражавајући Гаусову расподелу ласерске енергије. Како се број импулса повећава (Н=20-50), постепено се појављује високо-контрастна периодична расподела температуре, у складу са појавом периодичних површинских структура. Највиша температура решетке је концентрисана у долинама ових периодичних структура, док температура на врховима остаје релативно ниска. Дијаграм расподеле температуре показује да како се број импулса повећава, амплитуда ове температурне модулације постаје све израженија, а вршна температура постепено расте. Комбинујући ово са еволуцијом дистрибуције електричног поља приказаном на слици 2, расподела температуре решетке под више импулса може се објаснити механизмом електромагнетне термалне повратне спреге. Електромагнетне вруће тачке које се налазе у долинама формирају просторно неуједначене-изворе топлоте, стварајући на крају периодично температурно поље решетке које одговара морфологији површине.
04
Проток флуида током фазе топљења
Енергија фемтосекундног ласерског импулса се преноси на решетку преко електронско-фонона спрега. Када температура решетке достигне тачку топљења, на површини материјала се формира пролазни растопљени слој. Накнадна еволуција ЛИПСС-а на временској скали од пикосекунде контролише се не само статичком аблацијом већ и хидродинамичким транспортом унутар овог растопљеног слоја. У овом моделу, периодичност је унапред дефинисана таложењем електромагнетне енергије, док Марангони стрес и притисак трзања првенствено покрећу прерасподелу и уклањање растопљеног материјала. Слике 4, 5 и 6 приказују трендове протока флуида током фазе топљења више-пулсног процеса (Н=20-40) како периодична структура еволуира од плитке до дубоке. У овој фази, температура решетке је премашила тачку топљења, али још није достигла температуру испаравања. На ове три слике а1 и а2 представљају врхове периодичне структуре, док а3 и а4 представљају корита. Као што је приказано на слици 4, у раним фазама формирања периодичне структуре (Н=20), на површини се успоставља периодично температурно поље и почиње да се појављује таласаста структура. У регионима долине са највишим температурама (сл Насупрот томе, у областима гребена са најнижим температурама (Слика. 4(б)), примећује се да течност из суседних долина конвергира и акумулира навише. Поређење ових региона открива велике{24}}брзине дивергентног тока у коритима и ниске{25}}конвергентне токове мале брзине у врховима. Као што је приказано у пољима протока на Сл.. 4(б) и (ц), ток површинског флуида ка врховима изазива повратни ток дубље унутар растопљеног базена, враћајући се испод врха у долину. Ова комбинација спољашњег површинског тока и унутрашњег доњег тока-организује се у пар типичних Марангони вртлога унутар сваког гребена и корита периодичне структуре. Упоређивањем слика, на сликама. 4, 5 и 6 се може видети да како се долине продубљују, површински флуид се постепено ограничава унутар њих (слике. 4(ц), 5(ц) и 6(ц)). Дубље долине одговарају јачим локалним електричним пољима, чиме се потискује бочна топлотна дифузија из долине до суседних врхова. Ово резултира стрмијим температурним градијентом који се одржава унутар долина. Стога, пошто силе које покрећу кретање течности зависе од температуре, ове силе постају све више ограничене унутар долина. Из перспективе повећања броја импулса, то значи да се енергија наредних импулса користи за продубљивање постојећих жлебова, а не за уклањање већ формираних пикова или изградњу нових структура. Сходно томе, висинска разлика између врхова и долина континуирано се повећава, што доводи до постепеног продубљивања периодичне структуре.
05
Верификација симулације
Да би се илустровао процес формирања периодичних површинских структура вођених синергистичким ефектом електромагнетних ефеката и протока флуида под више-импулсним зрачењем, еволуција морфологије површине која је примећена у експерименту линеарног скенирања упоређена је са резултатима итеративног мултифизичког модела, као што је приказано на слици 7. У почетној фази експеримента са површином акумулираног пулсног материјала почетна површина је била акумулирана наночестице настале аблацијом-редепозицијом и транспортом растопљене течности. У симулацији смо користили физичку еквивалентну почетну тачку еволуције ЛИПСС-а, односно ласер-индуковане аблације. И насумичне наночестице и аблационе јаме могу послужити као границе расејања за наредне импулсе, на тај начин побуђујући СПП. Накнадни импулси успостављају периодично температурно поље на овој не-планарној површини путем СПП интерференције, подстичући прерасподелу растопљеног материјала током овог периода. Затим, Марангони сила и притисак трзања почињу да покрећу прерасподелу растопљене течности, чиме се промовише формирање ЛИПСС-а.
Да би се боље потврдили резултати симулације, ЛИПСС под фемтосекундним ласерским осветљењем у једној{0}}тачки упоређен је са резултатима нумеричке симулације. Као што је приказано на слици 8, ова два показују висок степен конзистентности у просторној периодичности. Да би се квантификовао овај период, извучене су локалне контуре сивих тонова СЕМ слике дуж правца који је окомит на ЛИПСС, дајући просечан период од приближно 980 нм за експерименталну структуру. Слика 8(б) приказује симулирану контуру попречног-пресека у истој просторној скали. Пресликавањем симулиране контуре површине на СЕМ слику на истим координатама и скали, уочено је да просторни положаји симулираних врхова и долина блиско одговарају светлим и тамним пругама на СЕМ слици. Симулирани период је приближно 960 нм, што је у одличној сагласности са експерименталним резултатима мереним методом контуре.
06
Закључак
Ова студија је конструисала мултифизички модел заснован на електромагнетној теорији, теорији динамике флуида и термофизичким својствима материјала кроз нумеричку симулацију. Објашњава од почетка до краја формирање периодичних структура на металним површинама изазваних синергистичким ефектом електромагнетних ефеката и нестабилности протока течности под више-пулсним фемтосекундним ласерским третманом. Кроз узастопне импулсне итерације симулације на површини материјала и упоредну анализу резултата симулације са експерименталним резултатима, закључујемо да је формирање ЛИПСС-а резултат синергистичког ефекта електромагнетне и динамике флуида.
Интеракција између упадног фемтосекундног ласера и површине материјала, у присуству храпавости површине, побуђује СПП-ове који ометају упадну светлост. Овај процес генерише просторно периодично и не{1}}уједначено таложење енергије на површини материјала. Потврдили смо да ова неопходна храпавост површине може бити аблациона јама узрокована самим ласером, што може послужити као гранични услови за узбудљиве СПП. Морфологија површине формирана претходним импулсима делује као дифракциона решетка за следеће импулсе, побољшавајући ефикасност СПП спајања. Једном када материјал апсорбује ову периодичну енергију, она се брзо трансформише у одговарајуће поље температурног градијента решетке, формирајући пролазни растопљени слој на површини. Овај изузетно танак растопљени слој, под утицајем периодичног температурног градијента, је физички веома нестабилан, чиме се активира транспорт течности који контролише миграцију материјала. Током фазе топљења, Марангони сила, вођена површинским напоном, мигрира растопљену течност из -долина високе температуре до ниских-врбова ниских температура, формирајући-дивергентни ток велике брзине у коритима и ниски-конвергентни ток мале брзине у гребенима. Како се број импулса повећава, корита се постепено продубљују, а површинска течност се постепено ограничава на корита. Током фазе испаравања, даље повећање температуре решетке је праћено даљим повећањем повратног притиска. У овом тренутку, повратни притисак делује као доминантни механизам који покреће течност, користећи јачу силу да одведе течност са површине жлебова надоле до подземне површине, док такође бочно истискује течност до врхова.
