O echipă comună de cercetare condusă de profesorul Zhang Peilei de la Universitatea de Științe Inginerie din Shanghai, Universitatea Lancaster și Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. a publicat o lucrare de cercetare intitulată „Electromagnetic-hydrodynamic coupling and morphology feedback in the formation and evolution of LIPSS on metals under femtosecond laser multi-pulse laser multi-pulse radiation modelinglied” în jurnalul internațional Mathematical Modelling App. Echipa a stabilit un model multifizic care cuplează teoria electromagnetică, termofizica tranzitorie și hidrodinamica și a folosit o strategie iterativă impuls-cu{-puls pentru a studia procesul de evoluție al structurilor periodice de suprafață induse de laser{{7}(LIPSS) pe suprafețele din aliaj de titan. Combinând verificarea experimentală și simularea numerică, echipa a dezvăluit mecanismul fizic al formării și evoluției nanostructurii sub efectul sinergic al fluxului Marangoni și al presiunii de recul sub mecanismul de feedback morfologic.
01
Introducere
Structurile periodice de suprafață induse de laser-(LIPSS) sunt un fenomen fizic care poate genera structuri periodice pe suprafețele diferitelor materiale (metale, semiconductori etc.) și au fost studiate pe larg. LIPSS sunt în general clasificate în două tipuri: LIPSS cu o perioadă apropiată de lungimea de undă laser (LSFL) și LIPSS cu o perioadă mult mai mică decât lungimea de undă laser (HSFL). Pentru LSFL clasic, mecanismul de formare este larg acceptat ca rezultat al interferenței dintre laserul incident și polaritonii plasmoni de suprafață (SPP) excitați pe suprafața materialului (teoria electromagnetică). Deși teoria electromagnetică explică perioada și direcția LSFL, ea descrie doar depunerea de energie statică inițială și nu explică evoluția dinamică a materialului într-o stare topită indusă de laser-. Procesul de migrare a materiei în stare topită remodelează morfologia suprafeței într-o combinație periodică de vârfuri și jgheaburi.
Procesarea laser cu femtosecunde are avantaje unice în domeniul micro- și nano-fabricației datorită preciziei sale ridicate de procesare și zonei mici-afectate de căldură. Lățimea sa ultrascurtă a impulsului concentrează energia laser pe suprafața materialului într-un timp extrem de scurt, generând o tranziție de fază non-termică de echilibru. Conductivitatea termică a electronilor și puterea de cuplare electron-fonon domină transmiterea și relaxarea energiei electromagnetice depuse în material în timpul proceselor ultrarapide. Acești factori sunt motivele fundamentale ale diferențelor de morfologie LIPSS observate pe diferite materiale. Cu toate acestea, formarea LIPSS este un proces cumulativ de multi-pulsuri, cu morfologia de suprafață generată de fiecare impuls acționând ca condiție de limită inițială pentru următorul impuls. În plus, regularitatea LIPSS prezintă o dependență puternică de proprietățile materialului. Simulările numerice anterioare au luat în considerare rareori influența morfologiei suprafeței generate de impulsurile anterioare asupra impulsurilor ulterioare în medii cu mai multe-pulse, multi-fizice. Modificările în morfologia suprafeței materialului în condiții de mai multe-impulsuri duc la neomogenitatea câmpului de temperatură, care, la rândul său, afectează redistribuirea fluidului topit indusă de gradienții de temperatură. Acest lucru necesită o analiză cantitativă și o discuție a procesului de evoluție LIPSS dintr-o perspectivă puls-cu-puls.
Procesare laser și fascicul de electroni
02
Metode de simulare
Pentru a studia evoluția cumulativă a LIPSS sub iradierea laser cu mai multe-pulsuri femtosecunde și mecanismul de feedback pozitiv aferent, fluxul de lucru de simulare descompune interacțiunea cu materie laser-a unui singur impuls în trei pași cuplati: calculul câmpului electromagnetic, evoluția termodinamică și dinamica fluidelor, care sunt apoi repetate în simulări iterative. În acest studiu ne concentrăm asupra procesului de evoluție pornind de la o suprafață deterministă. Simularea începe cu un plan ideal, neted, în care gropile de ablație generate de parametrii laser și răspunsul materialului sunt considerate drept „rugozitate efectivă” pentru cuplarea electromagnetică ulterioară. În acest model, această rugozitate efectivă este reprezentată de ablația de suprafață simulată, o metodă care elimină incertitudinile asociate cu rugozitatea inițială aleatoare a suprafeței, permițându-ne să studiem modul în care LIPSS se formează și se propagă la marginile de ablație și în interiorul suprafeței.
03
Feedback pentru morfologia suprafeței
Sub iradierea laser femtosecundă cu mai multe-impulsuri, formarea LIPSS nu este o simplă suprapunere a unui singur câmp fizic, ci un proces de evoluție dinamică în care influența morfologiei suprafeței a impulsurilor anterioare interacționează cu cea a impulsurilor ulterioare. Figura 2 prezintă evoluția morfologiei suprafeței materialului și distribuția spațială corespunzătoare a câmpului electric sub impulsuri multiple. Pentru impulsul inițial (N=1), distribuția câmpului electric pe suprafața netedă a materialului este uniformă lateral, prezentând în principal un model de undă staționară format prin interferența luminii incidente și reflectate. Pe măsură ce numărul de impulsuri crește (N=20, N=30), suprafața inițial netedă evoluează în gropi de ablație puțin adânci. Interfața ne-plană rupe simetria planului și furnizează componenta vectorială de undă-plană împrăștiată, ceea ce duce la o excitație slabă SPP la interfața metal-aerului. Pe măsură ce numărul de impulsuri crește și mai mult (N=40, N=50), șanțurile periodice care apar acționează ca rețele de difracție mai eficiente, rezultând o cuplare SPP mai puternică. După cum se arată în vizualizarea mărită la N=50, interferența dintre SPP și lumina incidentă ulterioară generează puncte fierbinți electromagnetice locale spațiale în interiorul canelurilor, unde intensitatea câmpului electric este semnificativ mai mare decât intensitatea câmpului incident.
Figura 3 ilustrează evoluția morfologiei suprafeței materialului și distribuția maximă corespunzătoare a temperaturii rețelei sub diferite numere de impulsuri (N=1-50). În stadiul inițial (N=1-10), pe suprafața plană se formează gropi de ablație. În acest moment, temperatura suprafeței este uniform distribuită lateral, iar distribuția corespunzătoare a temperaturii prezintă un vârf scăzut și larg, reflectând distribuția gaussiană a energiei laser. Pe măsură ce numărul de impulsuri crește (N=20-50), apare treptat o distribuție periodică a temperaturii-cu contrast ridicat, în concordanță cu apariția structurilor periodice de suprafață. Cea mai mare temperatură a rețelei este concentrată în văile acestor structuri periodice, în timp ce temperatura la vârfuri rămâne relativ scăzută. Graficul de distribuție a temperaturii arată că, pe măsură ce numărul de impulsuri crește, amplitudinea acestei modulații de temperatură devine mai pronunțată, iar temperatura de vârf crește treptat. Combinând acest lucru cu evoluția distribuției câmpului electric prezentată în Figura 2, distribuția temperaturii rețelei în mai multe impulsuri poate fi explicată printr-un mecanism de feedback termic electromagnetic. Punctele fierbinți electromagnetice situate în văi formează surse de căldură ne-uniforme din punct de vedere spațial, generând în cele din urmă un câmp periodic de temperatură reticulat corespunzător morfologiei suprafeței.
04
Fluxul de fluid în timpul etapei de topire
Energia impulsului laser de femtosecundă este transferată în rețea prin cuplarea electron-fonon. Odată ce temperatura rețelei atinge punctul de topire, pe suprafața materialului se formează un strat topit tranzitoriu. Evoluția ulterioară a LIPSS pe o scară de timp de picosecunde este controlată nu numai de ablația statică, ci și de transportul hidrodinamic în acest strat topit. În acest model, periodicitatea este predefinită de depunerea de energie electromagnetică, în timp ce presiunea Marangoni și presiunea de recul conduc în primul rând redistribuirea și îndepărtarea materialului topit. Figurile 4, 5 și 6 arată tendințele fluxului de fluid în timpul etapei de topire a unui proces cu mai multe impulsuri (N{=20-40), pe măsură ce structura periodică evoluează de la mică adâncime la adâncime. În această etapă, temperatura rețelei a depășit punctul de topire, dar nu a atins încă temperatura de vaporizare. În aceste trei figuri, a1 și a2 reprezintă vârfurile structurii periodice, în timp ce a3 și a4 reprezintă jgheaburi. După cum se arată în Figura 4, în primele etape ale formării structurii periodice (N=20), a fost stabilit un câmp de temperatură periodic la suprafață și începe să apară o structură ondulată. În regiunile de vale cu cele mai ridicate temperaturi (Fig. 4(c)), conduse de gradientul de tensiune superficială, efectul Marangoni face ca fluidul de suprafață topit să curgă cu viteză mare din centrul văii către vârfurile adiacente. În schimb, în regiunile de creastă cu cele mai scăzute temperaturi (Fig . 4(b)), se observă că fluidul din văile adiacente converge și se acumulează în sus. O comparație a acestor regiuni dezvăluie un flux divergent cu viteză mare-în jgheaburi și un flux convergent cu viteză redusă- în creste. După cum se arată în câmpurile de curgere din Fig. 4(b) și (c), curgerea fluidului de suprafață către creste provoacă un retur mai adânc în bazinul topit, revenind de sub vârf la vale. Această combinație de curgere de suprafață spre exterior și flux de sine interior{29}}se organizează într-o pereche de vârtejuri tipice Marangoni în fiecare creastă și jgheab a structurii periodice. Prin compararea figurilor, se poate observa din figurile . 4, 5 și 6 că, pe măsură ce văile se adâncesc, fluidul de suprafață este limitat treptat în ele (Figurile. 4(c), 5(c) și 6(c)). Văile mai adânci corespund unor câmpuri electrice locale mai puternice, suprimând astfel difuzia termică laterală de la vale către vârfurile adiacente. Acest lucru are ca rezultat menținerea unui gradient de temperatură mai abrupt în interiorul văilor. Prin urmare, deoarece forțele care conduc mișcarea fluidului depind de temperatură, aceste forțe devin din ce în ce mai limitate în văi. Din perspectiva creșterii numărului de impulsuri, aceasta înseamnă că energia impulsurilor ulterioare este utilizată pentru a adânci șanțurile existente, mai degrabă decât pentru a elimina vârfurile deja formate sau pentru a construi noi structuri. În consecință, diferența de înălțime dintre vârfuri și văi crește continuu, ducând la o adâncire treptată a structurii periodice.
05
Verificare prin simulare
Pentru a ilustra procesul de formare a structurilor periodice de suprafață determinate de efectul sinergic al efectelor electromagnetice și al fluxului de fluid sub iradiere cu mai multe impulsuri, evoluția morfologiei suprafeței observată în experimentul de scanare liniară a fost comparată cu rezultatele modelului multifizic iterativ, așa cum se arată în Figura 7. În etapa inițială a acumulării de impulsuri în experiment, suprafața materialului generată aleatoriu a fost acoperită de nanoparticule. ablația-redepunerea și transportul fluidului topit. În simulare, am folosit punctul de pornire echivalent fizic al evoluției LIPSS, și anume gropile de ablație induse de laser-. Atât nanoparticulele aleatoare, cât și gropile de ablație pot servi drept limite de împrăștiere pentru impulsurile ulterioare, stimulând astfel SPP. Impulsurile ulterioare stabilesc un câmp de temperatură periodic pe această suprafață ne-plană prin interferența SPP, conducând la redistribuirea materialului topit în această perioadă. Apoi, forța Marangoni și presiunea de recul încep să conducă redistribuirea fluidului topit, promovând astfel formarea LIPSS.
Pentru a valida mai bine rezultatele simulării, LIPSS sub iluminare laser femtosecundă cu un singur punct-a fost comparată cu rezultatele simulării numerice. După cum se arată în Figura 8, cele două prezintă un grad ridicat de consistență în periodicitatea spațială. Pentru a cuantifica această perioadă, contururile locale în tonuri de gri ale imaginii SEM au fost extrase de-a lungul direcției perpendiculare pe LIPSS, obținând o perioadă medie de aproximativ 980 nm pentru structura experimentală. Figura 8(b) arată conturul secțiunii transversale simulat-la aceeași scară spațială. Prin maparea conturului suprafeței simulate pe imaginea SEM la aceleași coordonate și scară, s-a observat că pozițiile spațiale ale vârfurilor și văilor simulate corespund îndeaproape cu dungile luminoase și întunecate din imaginea SEM. Perioada simulată este de aproximativ 960 nm, ceea ce este în acord excelent cu rezultatele experimentale măsurate folosind metoda conturului.
06
Concluzie
Acest studiu a construit un model multifizic bazat pe teoria electromagnetică, teoria dinamicii fluidelor și proprietățile termofizice ale materialelor prin simulare numerică. Acesta a explicat de la început până la sfârșit formarea structurilor periodice pe suprafețele metalice determinate de efectul sinergic al efectelor electromagnetice și al instabilității fluxului fluidului sub tratament cu laser femtosecunde cu mai multe impulsuri. Prin iterații succesive de simulare pe suprafața materialului și analiza comparativă a rezultatelor simulării cu rezultatele experimentale, concluzionăm că formarea LIPSS este rezultatul efectului sinergic al dinamicii electromagnetice și fluidelor.
Interacțiunea dintre laserul de femtosecundă incident și suprafața materialului, în prezența rugozității suprafeței, excită SPP-urile care interferează cu lumina incidentă. Acest proces generează depunerea de energie periodică și ne{1}}uniformă pe suprafața materialului. Am confirmat că această rugozitate necesară a suprafeței poate fi gropi de ablație cauzate de laserul însuși, care pot servi drept condiții de limită pentru SPP-uri interesante. Morfologia suprafeței formată de impulsurile anterioare acționează ca un rețea de difracție pentru impulsurile ulterioare, îmbunătățind eficiența de cuplare SPP. Odată ce această energie periodică este absorbită de material, ea se transformă rapid într-un câmp de gradient de temperatură al rețelei corespunzător, formând un strat topit tranzitoriu pe suprafață. Acest strat topit extrem de subțire, influențat de gradientul periodic de temperatură, este extrem de instabil din punct de vedere fizic, activând astfel transportul fluidului care controlează migrarea materialului. În timpul etapei de topire, forța Marangoni, condusă de tensiunea superficială, migrează fluidul topit din jgheaburi cu temperatură înaltă-la creste cu temperatură scăzută-, formând un flux divergent cu viteză-înaltă în jgheaburi și un flux-convergent cu viteză mică în creste. Pe măsură ce numărul de impulsuri crește, jgheaburile se adâncesc treptat, iar fluidul de suprafață este limitat treptat la jgheaburi. În timpul etapei de vaporizare, creșterea suplimentară a temperaturii rețelei este însoțită de o creștere suplimentară a presiunii de recul. În acest moment, presiunea de recul acționează ca mecanism dominant de antrenare a fluidului, folosind o forță mai puternică pentru a conduce fluidul de la suprafața jgheaburilor în jos spre sub suprafață, în același timp deplasând lateral fluidul spre creste.
