Tim ta 'riċerka konġunta mmexxija mill-Professur Zhang Peilei ta' Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University, u Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd ippubblika dokument ta 'riċerka intitolat "Electromagnetic-hydrodynamic coupling and morphology feedback in the formation and evolution of LIPSS on metals under femtosecond laser multi-pulse journal irradjazzjoni internazzjonali tal-Matematika" fil-Matematika internazzjonali. It-tim stabbilixxa mudell multifiżiku li jgħaqqad it-teorija elettromanjetika, termofiżika temporanja, u idrodinamika, u uża strateġija iterattiva tal-polz-b{-polz biex jistudja l-proċess ta 'evoluzzjoni ta' strutturi tal-wiċċ perjodiċi indotti bil-lejżer-(LIPSS) fuq uċuħ ta 'liga tat-titanju. Li tgħaqqad il-verifika sperimentali u s-simulazzjoni numerika, it-tim żvela l-mekkaniżmu fiżiku tal-formazzjoni u l-evoluzzjoni tan-nanostruttura taħt l-effett sinerġistiku tal-fluss Marangoni u l-pressjoni tal-irkuprar taħt il-mekkaniżmu ta 'rispons tal-morfoloġija.
01
Introduzzjoni
Laser-strutturi perjodiċi tal-wiċċ indotti (LIPSS) huma fenomenu fiżiku li jista 'jiġġenera strutturi perjodiċi fuq l-uċuħ ta' diversi materjali (metalli, semikondutturi, eċċ.) u ġew studjati b'mod estensiv. LIPSS huma ġeneralment ikklassifikati f'żewġ tipi: LIPSS b'perjodu qrib il-laser wavelength (LSFL) u LIPSS b'perjodu ħafna iżgħar mill-laser wavelength (HSFL). Għal LSFL klassiku, il-mekkaniżmu ta 'formazzjoni huwa aċċettat b'mod wiesa' bħala riżultat ta 'interferenza bejn il-laser inċidentali u l-polaritons tal-plasmon tal-wiċċ (SPPs) eċċitati fuq il-wiċċ tal-materjal (teorija elettromanjetika). Għalkemm it-teorija elettromanjetika tispjega l-perjodu u d-direzzjoni tal-LSFL, tiddeskrivi biss id-depożizzjoni statika tal-enerġija inizjali u ma tispjegax l-evoluzzjoni dinamika tal-materjal fi stat imdewweb indott tal-laser-. Il-proċess ta 'migrazzjoni tal-materja fl-istat imdewweb ifassal mill-ġdid il-morfoloġija tal-wiċċ f'kombinazzjoni perjodika ta' qċaċet u ħawt.
L-ipproċessar bil-lejżer Femtosecond għandu vantaġġi uniċi fil-qasam tal-mikro- u nano-fabbrikazzjoni minħabba l-preċiżjoni għolja tal-ipproċessar tiegħu u ż-żona żgħira tas-sħana-affetwata. Il-wisa 'tal-polz ultrashort tagħha tikkonċentra l-enerġija tal-lejżer fuq il-wiċċ tal-materjal fi żmien estremament qasir, u tiġġenera tranżizzjoni ta' fażi ta 'ekwilibriju mhux-termali. Il-konduttività termali tal-elettroni u s-saħħa tal-igganċjar tal-elettron-fonon jiddominaw it-trażmissjoni u r-rilassament tal-enerġija elettromanjetika depożitata fil-materjal matul proċessi ultraveloċi. Dawn il-fatturi huma r-raġunijiet fundamentali għad-differenzi fil-morfoloġija tal-LIPSS osservati fuq diversi materjali. Madankollu, il-formazzjoni ta' LIPSS hija proċess ta' multi-polz kumulattiv, bil-morfoloġija tal-wiċċ ġġenerata minn kull polz taġixxi bħala l-kondizzjoni tal-konfini inizjali għall-polz li jmiss. Barra minn hekk, ir-regolarità tal-LIPSS turi dipendenza qawwija fuq il-proprjetajiet tal-materjal. Simulazzjonijiet numeriċi preċedenti rari kkunsidraw l-influwenza tal-morfoloġija tal-wiċċ ġġenerata mill-impulsi preċedenti fuq impulsi sussegwenti f'ambjenti multi-fiżiċi multi-. Bidliet fil-morfoloġija tal-wiċċ tal-materjal taħt kundizzjonijiet ta' multi-puls iwasslu għal nuqqas ta' omoġeneità tal-kamp tat-temperatura, li mbagħad taffettwa t-tqassim mill-ġdid tal-fluwidu imdewweb indott minn gradjenti tat-temperatura. Dan jeħtieġ analiżi kwantitattiva u diskussjoni tal-proċess ta' evoluzzjoni tal-LIPSS minn perspettiva ta' polz-b'-polz.
Ipproċessar tar-raġġ tal-lejżer u tal-elettroni
02
Metodi ta' Simulazzjoni
Biex tistudja l-evoluzzjoni kumulattiva ta 'LIPSS taħt irradjazzjoni bil-laser femtosecond multi-polz u l-mekkaniżmu ta' feedback pożittiv relatat, il-fluss tax-xogħol ta 'simulazzjoni jiddekomponi l-interazzjoni tal-materja tal-lejżer-ta' polz wieħed fi tliet passi akkoppjati: kalkolu tal-kamp elettromanjetiku, evoluzzjoni termodinamika, u dinamika tal-fluwidu, li mbagħad jiġu ripetuti f'simulazzjonijiet iterattivi. F'dan l-istudju, aħna niffukaw fuq il-proċess ta 'evoluzzjoni li jibda minn wiċċ deterministiku. Is-simulazzjoni tibda bi pjan ideali u bla xkiel, fejn il-ħofor tal-ablazzjoni ġġenerati mill-parametri tal-laser u r-rispons tal-materjal jitqiesu bħala l-"ħruxija effettiva" għall-akkoppjar elettromanjetiku sussegwenti. F'dan il-mudell, din il-ħruxija effettiva hija rappreżentata minn ablazzjoni tal-wiċċ simulata, metodu li jelimina l-inċertezzi assoċjati ma 'ħruxija tal-wiċċ inizjali każwali, li jippermettilna nistudjaw kif LIPSS jifforma u jippropaga fit-truf tal-ablazzjoni u fil-wiċċ.
03
Feedback tal-Morfoloġija tal-wiċċ
Taħt irradjazzjoni bil-lejżer femtosecond multi-polz, il-formazzjoni ta 'LIPSS mhijiex superpożizzjoni sempliċi ta' kamp fiżiku wieħed, iżda proċess ta 'evoluzzjoni dinamika li fih l-influwenza tal-morfoloġija tal-wiċċ ta' impulsi preċedenti jinteraġixxi ma 'dik ta' impulsi sussegwenti. Il-Figura 2 turi l-evoluzzjoni tal-morfoloġija tal-wiċċ tal-materjal u d-distribuzzjoni spazjali korrispondenti tal-kamp elettriku taħt impulsi multipli. Għall-polz inizjali (N=1), id-distribuzzjoni tal-kamp elettriku fuq il-wiċċ tal-materjal lixx hija lateralment uniformi, prinċipalment turi mudell ta 'mewġ permanenti ffurmat mill-interferenza ta' dawl inċidentali u rifless. Hekk kif in-numru ta 'impulsi jiżdied (N=20, N=30), il-wiċċ inizjalment lixx jevolvi f'ħofor ta' ablazzjoni baxxi. L-interface mhux-planari tkisser is-simetrija tal-pjan u tipprovdi l-komponent tal-vettur tal-mewġ tal-mewġ imxerred fil--pjan, li jwassal għal eċċitazzjoni SPP dgħajfa fl-interface tal--arja tal-metall. Hekk kif in-numru ta 'impulsi jiżdied aktar (N=40, N=50), l-iskanalaturi perjodiċi li jidhru jaġixxu bħala gradilji tad-diffrazzjoni aktar effettivi, li jirriżultaw f'akkoppjar SPP aktar b'saħħtu. Kif muri fil-veduta eżaltata f'N=50, l-interferenza bejn l-SPP u d-dawl inċidentali sussegwenti tiġġenera hotspots elettromanjetiċi lokali spazjali fi ħdan l-iskanalaturi, fejn l-intensità tal-kamp elettriku hija ogħla b'mod sinifikanti mill-intensità tal-kamp inċidentali.
Il-Figura 3 turi l-evoluzzjoni tal-morfoloġija tal-wiċċ tal-materjal u d-distribuzzjoni massima korrispondenti tat-temperatura tal-kannizzata taħt numri differenti ta 'impulsi (N=1-50). Fl-istadju inizjali (N=1-10), il-fosos tal-ablazzjoni jiffurmaw fuq il-wiċċ ċatt. F'dan iż-żmien, it-temperatura tal-wiċċ hija mqassma bla xkiel lateralment, u d-distribuzzjoni tat-temperatura korrispondenti turi quċċata baxxa u wiesgħa, li tirrifletti d-distribuzzjoni Gaussian tal-enerġija tal-lejżer. Hekk kif in-numru ta 'impulsi jiżdied (N=20-50), gradwalment tidher distribuzzjoni ta' temperatura perjodika b'kuntrast għoli{-, konsistenti mal-emerġenza ta 'strutturi tal-wiċċ perjodiċi. L-ogħla temperatura tal-kannizzata hija kkonċentrata fil-widien ta 'dawn l-istrutturi perjodiċi, filwaqt li t-temperatura fil-qċaċet tibqa' relattivament baxxa. Il-plott tad-distribuzzjoni tat-temperatura turi li hekk kif in-numru ta 'impulsi jiżdied, l-amplitudni ta' din il-modulazzjoni tat-temperatura ssir aktar evidenti, u l-ogħla temperatura tiżdied gradwalment. Billi tgħaqqad dan mal-evoluzzjoni tad-distribuzzjoni tal-kamp elettriku murija fil-Figura 2, id-distribuzzjoni tat-temperatura tal-kannizzata taħt impulsi multipli tista 'tiġi spjegata b'mekkaniżmu ta' feedback termali elettromanjetiku. Hot spots elettromanjetiċi li jinsabu fil-widien jiffurmaw sorsi ta' sħana spazjalment mhux-uniformi, u fl-aħħar mill-aħħar jiġġeneraw kamp perjodiku tat-temperatura tal-kannizzata li jikkorrispondi mal-morfoloġija tal-wiċċ.
04
Fluss tal-Fluwidu Matul l-Istadju tat-Tidwib
L-enerġija tal-polz tal-laser femtosecond tiġi trasferita lejn il-kannizzata permezz tal-akkoppjar tal-elettron-fonon. Ladarba t-temperatura tal-kannizzata tilħaq il-punt tat-tidwib, jifforma saff imdewweb temporanju fuq il-wiċċ tal-materjal. L-evoluzzjoni sussegwenti ta 'LIPSS fuq skala ta' żmien ta 'picosecond hija kkontrollata mhux biss minn ablazzjoni statika iżda wkoll mit-trasport idrodinamiku fi ħdan dan is-saff imdewweb. F'dan il-mudell, il-perjodiċità hija predefinita minn depożitu ta 'enerġija elettromanjetika, filwaqt li l-istress Marangoni u l-pressjoni ta' l-irkuprar primarjament imexxu r-ridistribuzzjoni u t-tneħħija tal-materjal imdewweb. Il-Figuri 4, 5, u 6 juru t-tendenzi tal-fluss tal-fluwidu matul l-istadju tat-tidwib ta 'proċess ta' multi-puls (N=20-40) hekk kif l-istruttura perjodika tevolvi minn baxx għal fond. F'dan l-istadju, it-temperatura tal-kannizzata qabżet il-punt tat-tidwib iżda għadha ma laħqitx it-temperatura tal-vaporizzazzjoni. F'dawn it-tliet figuri, a1 u a2 jirrappreżentaw il-qċaċet tal-istruttura perjodika, filwaqt li a3 u a4 jirrappreżentaw il-ħawt. Kif muri fil-Figura 4, fl-istadji bikrija tal-formazzjoni ta 'struttura perjodika (N=20), ġie stabbilit kamp ta' temperatura perjodiku fuq il-wiċċ, u struttura mmewġa tibda tidher. Fir-reġjuni tal-widien bl-ogħla temperaturi (Fig . 4(c)), immexxi mill-gradjent tat-tensjoni tal-wiċċ, l-effett Marangoni jikkawża li l-fluwidu tal-wiċċ imdewweb jiċċirkola b'veloċità għolja miċ-ċentru tal-wied għal qċaċet li jmissu magħhom. Bil-maqlub, fir-reġjuni tal-crest bl-aktar temperaturi baxxi (Fig. 4(b)), il-fluwidu mill-widien maġenb huwa osservat li jikkonverġi u jakkumula 'l fuq. Tqabbil ta' dawn ir-reġjuni jiżvela fluss diverġenti ta'-veloċità għolja fil-ħwat u fluss ta'-veloċità konverġenti ta' veloċità baxxa fil-crests. Kif muri fl-oqsma tal-fluss tal-Fig. 4(b) u (c), il-fluss tal-fluwidu tal-wiċċ lejn il-crests jikkawża fluss lura aktar fil-fond fil-pool imdewweb, li jirritorna minn taħt il-quċċata lejn il-wied. Din il-kombinazzjoni ta' fluss tal-wiċċ 'il barra u fluss tal-qiegħ 'il ġewwa awto-torganizza f'par vortiċi tipiċi ta' Marangoni f'kull crest u ħawt tal-istruttura perjodika. Billi jitqabblu l-figuri, wieħed jista’ jara minn Fig. 4, 5, u 6 li hekk kif il-widien isiru aktar profondi, il-fluwidu tal-wiċċ jiġi gradwalment limitat fihom (Fig. 4(ċ), 5(ċ), u 6(ċ)). Widien aktar fil-fond jikkorrispondu għal kampi elettriċi lokali aktar b'saħħithom, u b'hekk jissopprimu d-diffużjoni termali laterali mill-wied għal qċaċet li jmissu magħhom. Dan jirriżulta f'gradjent ta' temperatura aktar wieqaf li jinżamm fil-widien. Għalhekk, peress li l-forzi li jmexxu l-moviment tal-fluwidu jiddependu mit-temperatura, dawn il-forzi jsiru dejjem aktar limitati fil-widien. Mill-perspettiva li jiżdied in-numru ta 'impulsi, dan ifisser li l-enerġija ta' impulsi sussegwenti tintuża biex tapprofondixxi l-iskanalaturi eżistenti, aktar milli tneħħi qċaċet diġà ffurmati jew tibni strutturi ġodda. Konsegwentement, id-differenza fl-għoli bejn il-qċaċet u l-widien tiżdied kontinwament, li twassal għal approfondiment gradwali tal-istruttura perjodika.
05
Verifika ta' Simulazzjoni
Biex turi l-proċess ta 'formazzjoni ta' strutturi tal-wiċċ perjodiċi mmexxija mill-effett sinerġistiku ta 'effetti elettromanjetiċi u fluss ta' fluwidu taħt irradjazzjoni multi-polz, l-evoluzzjoni tal-morfoloġija tal-wiċċ osservata fl-esperiment ta 'skanjar lineari ġiet imqabbla mar-riżultati tal-mudell multifiżiku iterattiv, kif muri fil-Figura 7. ablazzjoni-ridepożizzjoni u trasport ta' fluwidu imdewweb. Fis-simulazzjoni, użajna l-punt tal-bidu fiżiku ekwivalenti tal-evoluzzjoni tal-LIPSS, jiġifieri l-ħofor tal-ablazzjoni indotti bil-laser-. Kemm nanopartiċelli bl-addoċċ kif ukoll fosos tal-ablazzjoni jistgħu jservu bħala konfini ta 'tifrix għal impulsi sussegwenti, u b'hekk eċċitanti SPP. L-impulsi sussegwenti jistabbilixxu kamp ta' temperatura perjodiku fuq dan il-wiċċ mhux-planari permezz ta' interferenza SPP, li jmexxu r-ridistribuzzjoni tal-materjal imdewweb tul dan il-perjodu. Imbagħad, il-forza Marangoni u l-pressjoni tal-irkuprar jibdew imexxu r-ridistribuzzjoni tal-fluwidu imdewweb, u b'hekk jippromwovu l-formazzjoni ta 'LIPSS.
Biex jiġu vvalidati aħjar ir-riżultati tas-simulazzjoni, il-LIPSS taħt illuminazzjoni tal-laser femtosecond ta' punt wieħed-tqabbel mar-riżultati ta' simulazzjoni numerika. Kif muri fil-Figura 8, it-tnejn juru grad għoli ta 'konsistenza fil-perjodiċità spazjali. Biex jiġi kkwantifikat dan il-perjodu, il-kontorni tal-iskala griża lokali tal-immaġni SEM ġew estratti tul id-direzzjoni perpendikolari mal-LIPSS, li wasslu għal perjodu medju ta 'madwar 980 nm għall-istruttura sperimentali. Figura 8(b) turi l-kontorn tas-sezzjoni trasversali simulat fl-istess skala spazjali. Bl-immappjar tal-kontorn tal-wiċċ simulat fuq l-immaġni SEM fl-istess koordinati u skala, ġie osservat li l-pożizzjonijiet spazjali tal-qċaċet u l-widien simulati jikkorrispondu mill-qrib mal-istrixxi qawwija u skuri fl-immaġni SEM. Il-perjodu simulat huwa ta 'madwar 960 nm, li huwa fi qbil eċċellenti mar-riżultati sperimentali mkejla bl-użu tal-metodu tal-kontorn.
06
Konklużjoni
Dan l-istudju bena mudell multifiżiku bbażat fuq it-teorija elettromanjetika, it-teorija tad-dinamika tal-fluwidu, u l-proprjetajiet termofiżiċi ta 'materjali permezz ta' simulazzjoni numerika. Spjega mill-bidu sat-tmiem il-formazzjoni ta 'strutturi perjodiċi fuq uċuħ tal-metall immexxija mill-effett sinerġistiku ta' effetti elettromanjetiċi u instabbiltajiet tal-fluss tal-fluwidu taħt trattament tal-laser multi-pulse femtosecond. Permezz ta 'iterazzjonijiet suċċessivi tal-polz ta' simulazzjoni fuq il-wiċċ tal-materjal u analiżi komparattiva ta 'riżultati ta' simulazzjoni b'riżultati sperimentali, nikkonkludu li l-formazzjoni ta 'LIPSS hija r-riżultat tal-effett sinerġistiku tad-dinamika elettromanjetika u fluwidu.
L-interazzjoni bejn il-laser femtosecond inċidentali u l-wiċċ tal-materjal, fil-preżenza ta 'ħruxija tal-wiċċ, teċita SPPs li jinterferixxu mad-dawl inċidentali. Dan il-proċess jiġġenera depożizzjoni ta' enerġija spazjalment perjodika u mhux{1}}uniformi fuq il-wiċċ tal-materjal. Aħna kkonfermajna li din il-ħruxija meħtieġa tal-wiċċ tista 'tkun ħofor ta' ablazzjoni kkawżati mill-laser innifsu, li jistgħu jservu bħala kundizzjonijiet ta 'konfini għal SPPs eċċitanti. Il-morfoloġija tal-wiċċ iffurmata minn impulsi preċedenti taġixxi bħala gradilja tad-diffrazzjoni għal impulsi sussegwenti, u ttejjeb l-effiċjenza tal-igganċjar SPP. Ladarba din l-enerġija perjodika tiġi assorbita mill-materjal, tittrasforma malajr f'kamp tal-gradjent tat-temperatura tal-kannizzata korrispondenti, li tifforma saff imdewweb temporanju fuq il-wiċċ. Dan is-saff imdewweb estremament irqiq, influwenzat mill-gradjent perjodiku tat-temperatura, huwa fiżikament instabbli ħafna, u b'hekk jattiva t-trasport tal-fluwidu li jikkontrolla l-migrazzjoni tal-materjal. Matul l-istadju tat-tidwib, il-forza Marangoni, immexxija mit-tensjoni tal-wiċċ, temigra l-fluwidu imdewweb minn ħwat ta'-temperatura għolja għal crests ta'-temperatura baxxa, li jiffurmaw fluss diverġenti ta'-veloċità għolja fil-ħwat u fluss ta'-veloċità baxxa konverġenti fil-ħwat. Hekk kif in-numru ta 'impulsi jiżdied, il-ħwat gradwalment japprofondixxu, u l-fluwidu tal-wiċċ huwa gradwalment limitat għall-ħawt. Matul l-istadju tal-vaporizzazzjoni, iż-żieda ulterjuri fit-temperatura tal-kannizzata hija akkumpanjata minn żieda ulterjuri fil-pressjoni tal-irkuprar. F'dan il-punt, il-pressjoni ta 'recoil taġixxi bħala l-mekkaniżmu dominanti li jmexxi l-fluwidu, billi juża forza aktar b'saħħitha biex issuq il-fluwidu mill-wiċċ tal-ħwat 'l isfel għal taħt il-wiċċ, filwaqt li tisposta wkoll lateralment il-fluwidu għall-crests.
