یک تیم تحقیقاتی مشترک به سرپرستی پروفسور Zhang Peilei از دانشگاه علوم مهندسی شانگهای، دانشگاه لنکستر، و شرکت لیزر آمپلیتود سوژو، یک مقاله تحقیقاتی با عنوان "کوپلینگ الکترومغناطیسی{2} و بازخورد مورفولوژیکی در شکلگیری و تکامل LIPSS بر روی فلزات چندپهلوزی{3} ضریب فسیلی" منتشر کردند. مجله بین المللی Applied Mathematical Modelling. این تیم یک مدل چندفیزیکی جفتکننده نظریه الکترومغناطیسی، ترموفیزیک گذرا و هیدرودینامیک ایجاد کرد و از یک استراتژی تکراری پالس-توسط- پالس برای مطالعه روند تکامل ساختارهای سطح دورهای-القا شده با لیزر (LIPSS) بر روی سطوح آلیاژ تیتانیوم استفاده کرد. این تیم با ترکیب تأیید تجربی و شبیهسازی عددی، مکانیسم فیزیکی تشکیل و تکامل نانوساختار را تحت تأثیر همافزایی جریان مارانگونی و فشار پسکشی تحت مکانیسم بازخورد مورفولوژی نشان داد.
01
مقدمه
ساختارهای سطحی دورهای ناشی از لیزر (LIPSS) یک پدیده فیزیکی است که میتواند ساختارهای تناوبی را بر روی سطوح مواد مختلف (فلزات، نیمهرساناها و غیره) ایجاد کند و به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. LIPSS به طور کلی به دو نوع طبقه بندی می شود: LIPSS با دوره ای نزدیک به طول موج لیزر (LSFL) و LIPSS با دوره بسیار کوچکتر از طول موج لیزر (HSFL). برای LSFL کلاسیک، مکانیسم تشکیل به طور گسترده ای به عنوان نتیجه تداخل بین لیزر فرودی و پلاریتون های پلاسمون سطحی (SPP) برانگیخته شده بر روی سطح ماده پذیرفته شده است (نظریه الکترومغناطیسی). اگرچه نظریه الکترومغناطیسی دوره و جهت LSFL را توضیح میدهد، اما فقط رسوب اولیه انرژی ساکن را توصیف میکند و تکامل دینامیکی ماده را در حالت مذاب القا شده با لیزر توضیح نمیدهد. فرآیند مهاجرت ماده در حالت مذاب، مورفولوژی سطح را به ترکیبی دوره ای از قله ها و فرورفتگی ها تغییر شکل می دهد.
پردازش لیزر فمتوثانیه به دلیل دقت بالای پردازش و ناحیه تحت تأثیر حرارت کوچک{2}}در زمینه ساخت میکرو- و نانو- مزایای منحصر به فردی دارد. عرض پالس بسیار کوتاه آن انرژی لیزر را در زمان بسیار کوتاهی روی سطح ماده متمرکز می کند و یک انتقال فاز تعادل حرارتی غیر{4} ایجاد می کند. رسانایی گرمایی الکترون و قدرت جفت شدن فونون{6}الکترون بر انتقال و آرامش انرژی الکترومغناطیسی نهفته شده در مواد در طی فرآیندهای فوق سریع غالب است. این عوامل دلایل اساسی برای تفاوت در مورفولوژی LIPSS مشاهده شده بر روی مواد مختلف هستند. با این حال، تشکیل LIPSS یک فرآیند تجمعی چند- پالسی است که مورفولوژی سطح تولید شده توسط هر پالس به عنوان شرط مرزی اولیه برای پالس بعدی عمل میکند. علاوه بر این، منظم بودن LIPSS وابستگی شدیدی به خواص مواد نشان میدهد. شبیهسازیهای عددی قبلی به ندرت تأثیر مورفولوژی سطح تولید شده توسط پالسهای قبلی را بر پالسهای بعدی در محیطهای{12}}چند پالس و چند{13}}فیزیکی در نظر گرفتهاند. تغییرات در مورفولوژی سطح مواد تحت شرایط{15}چند پالس منجر به ناهمگنی میدان دما میشود که به نوبه خود بر توزیع مجدد سیال مذاب ناشی از گرادیان دما تأثیر میگذارد. این امر مستلزم تجزیه و تحلیل کمی و بحث در مورد فرآیند تکامل LIPSS از دیدگاه-بهواسطه{18}} پالس است.
پردازش پرتو لیزر و الکترونی
02
روش های شبیه سازی
برای مطالعه تکامل تجمعی LIPSS تحت تابش لیزر چند{0}فمتوثانیهای و مکانیسم بازخورد مثبت مربوطه، جریان کار شبیهسازی برهمکنش لیزر{1}}ماده یک پالس را به سه مرحله جفتشده تجزیه میکند: محاسبه میدان الکترومغناطیسی، تکامل سیالات ترمودینامیکی و سپس سیالات تکراری. در این مطالعه، ما بر روند تکامل تمرکز می کنیم که از یک سطح قطعی شروع می شود. شبیهسازی با یک صفحه ایدهآل و صاف آغاز میشود، جایی که حفرههای فرسایش تولید شده توسط پارامترهای لیزر و پاسخ مواد به عنوان "زبری موثر" برای جفت الکترومغناطیسی بعدی در نظر گرفته میشوند. در این مدل، این زبری مؤثر با فرسایش سطحی شبیهسازی شده نشان داده میشود، روشی که عدم قطعیتهای مرتبط با زبری سطح اولیه تصادفی را حذف میکند، و به ما امکان میدهد تا چگونگی شکلگیری و انتشار LIPSS در لبههای فرسایش و در سطح را مطالعه کنیم.
03
بازخورد مورفولوژی سطح
تحت تابش لیزر فمتوثانیهای چند پالسی، تشکیل LIPSS یک برهم نهی ساده از یک میدان فیزیکی منفرد نیست، بلکه یک فرآیند تکاملی پویا است که در آن تأثیر مورفولوژی سطح پالسهای قبلی با پالسهای بعدی تعامل دارد. شکل 2 تکامل مورفولوژی سطح مواد و توزیع فضایی متناظر میدان الکتریکی تحت پالس های متعدد را نشان می دهد. برای پالس اولیه (N=1)، توزیع میدان الکتریکی روی سطح مواد صاف به صورت جانبی یکنواخت است، که عمدتاً یک الگوی موج ایستاده را نشان میدهد که از تداخل نور فرودی و منعکس شده تشکیل شده است. با افزایش تعداد پالسها (N=20، N=30)، سطح صاف اولیه به چالههای فرسایشی کم عمق تبدیل میشود. رابط غیر مسطح، تقارن صفحه را میشکند و مؤلفه بردار موج صفحه پراکنده را ارائه میکند، که منجر به تحریک ضعیف SPP در رابط هوای فلزی میشود. با افزایش بیشتر تعداد پالسها (N=40، N=50)، شیارهای دورهای که ظاهر میشوند بهعنوان شبکههای پراش مؤثرتر عمل میکنند که منجر به جفت شدن SPP قویتر میشود. همانطور که در نمای بزرگنمایی شده در N=50 نشان داده شده است، تداخل بین SPP و نور فرودی بعدی، نقاط حساس الکترومغناطیسی محلی فضایی را در شیارها ایجاد می کند، که در آن شدت میدان الکتریکی به طور قابل توجهی بیشتر از شدت میدان فرودی است.
شکل 3 تکامل مورفولوژی سطح مواد و توزیع حداکثر دمای شبکه مربوطه را تحت تعداد پالس های مختلف (N=1-50) نشان می دهد. در مرحله اولیه (N=1-10)، حفره های فرسایشی روی سطح صاف ایجاد می شود. در این زمان، دمای سطح به آرامی به صورت جانبی توزیع می شود، و توزیع دمای مربوطه یک اوج کم و گسترده را نشان می دهد، که منعکس کننده توزیع گاوسی انرژی لیزر است. با افزایش تعداد پالس ها (N=20-50)، یک توزیع تناوبی دما با کنتراست بالا به تدریج ظاهر می شود که با ظهور ساختارهای سطحی دوره ای سازگار است. بالاترین دمای شبکه در درههای این ساختارهای دورهای متمرکز است، در حالی که دما در قلهها نسبتاً پایین باقی میماند. نمودار توزیع دما نشان می دهد که با افزایش تعداد پالس ها، دامنه این مدولاسیون دما بارزتر می شود و دمای پیک به تدریج افزایش می یابد. با ترکیب این با تکامل توزیع میدان الکتریکی نشان داده شده در شکل 2، توزیع دمای شبکه تحت پالس های متعدد را می توان با مکانیزم بازخورد حرارتی الکترومغناطیسی توضیح داد. نقاط داغ الکترومغناطیسی واقع در درهها منابع گرمایی غیریکنواخت فضایی- را تشکیل میدهند که در نهایت یک میدان دمای شبکه متناوب مطابق با مورفولوژی سطح ایجاد میکنند.
04
جریان سیال در مرحله ذوب
انرژی پالس لیزر فمتوثانیه از طریق جفت شدن الکترونی-فونون به شبکه منتقل میشود. هنگامی که دمای شبکه به نقطه ذوب می رسد، یک لایه مذاب گذرا بر روی سطح ماده تشکیل می شود. تکامل بعدی LIPSS در یک مقیاس زمانی پیکوثانیه نه تنها با فرسایش استاتیکی بلکه با انتقال هیدرودینامیکی درون این لایه مذاب نیز کنترل میشود. در این مدل، تناوب با رسوب انرژی الکترومغناطیسی از پیش تعریف شده است، در حالی که تنش مارانگونی و فشار پس زدگی در درجه اول باعث توزیع مجدد و حذف مواد مذاب می شود. شکلهای 4، 5، و 6 روند جریان سیال را در مرحله ذوب یک فرآیند چند پالس (N=20-40) نشان میدهند، زیرا ساختار تناوبی از کم عمق به عمیق تکامل مییابد. در این مرحله دمای شبکه از نقطه ذوب فراتر رفته اما هنوز به دمای تبخیر نرسیده است. در این سه شکل، a1 و a2 نشان دهنده قله های ساختار تناوبی هستند، در حالی که a3 و a4 نشان دهنده فرورفتگی ها هستند. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، در مراحل اولیه تشکیل ساختار تناوبی (N{18}})، یک میدان دمایی دوره ای بر روی سطح ایجاد شده است و یک ساختار مواج شروع به نمایان می کند. در مناطق دره با بالاترین دما (شکل{20}}(ج))، که توسط گرادیان کشش سطحی هدایت میشود، اثر مارانگونی باعث میشود که سیال سطحی مذاب با سرعت بالا از مرکز دره به قلههای مجاور جریان یابد. برعکس، در نواحی تاج با کمترین دما (شکل{22}}(ب))، سیال از دره های مجاور مشاهده می شود که همگرا شده و به سمت بالا جمع می شوند. مقایسه این نواحی نشان میدهد که جریان واگرا با سرعت بالا-در فرورفتگیها و جریان همگرا با سرعت پایین{25}}در تاجها وجود دارد. همانطور که در میدانهای جریان شکل. 4(b) و (c) نشان داده شده است، جریان سیال سطحی به سمت قلهها باعث ایجاد جریان برگشتی در عمق حوضچه مذاب میشود و از زیر قله به دره بازمیگردد. این ترکیبی از جریان سطحی بیرونی و خود جریان پایین به داخل{29}}به یک جفت گرداب معمولی مارانگونی در هر تاج و فرورفتگی ساختار تناوبی سازماندهی میشود. با مقایسه شکلها، از شکلهای{31}}، 5 و 6 مشاهده میشود که با عمیقتر شدن درهها، سیال سطحی به تدریج در داخل آنها محبوس میشود (شکلهای. 4(c)، 5(c)، و 6(c)). درههای عمیقتر مربوط به میدانهای الکتریکی محلی قویتر است، در نتیجه انتشار حرارتی جانبی از دره به قلههای مجاور را سرکوب میکند. این منجر به حفظ شیب دمایی تندتر در دره ها می شود. بنابراین، از آنجایی که نیروهای محرک حرکت سیال به دما بستگی دارد، این نیروها به طور فزاینده ای در داخل دره ها محدود می شوند. از منظر افزایش تعداد پالسها، این بدان معناست که انرژی پالسهای بعدی برای عمیقتر کردن شیارهای موجود استفاده میشود، نه از بین بردن قلههای شکلگرفته از قبل یا ساخت سازههای جدید. در نتیجه، اختلاف ارتفاع بین قله ها و دره ها به طور مداوم افزایش می یابد و منجر به عمیق شدن تدریجی ساختار دوره ای می شود.
05
تایید شبیه سازی
برای نشان دادن روند شکلگیری ساختارهای سطحی دورهای که توسط اثر همافزایی اثرات الکترومغناطیسی و جریان سیال تحت تابش چند پالس هدایت میشوند، تکامل مورفولوژی سطح مشاهدهشده در آزمایش روبشی خطی با نتایج مدل چندفیزیکی تکراری مقایسه شد، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. نانوذرات تولید شده توسط رسوب مجدد- و انتقال سیال مذاب. در شبیهسازی، ما از نقطه شروع معادل فیزیکی تکامل LIPSS، یعنی چالههای فرسایشی ناشی از لیزر- استفاده کردیم. هم نانوذرات تصادفی و هم چالههای فرسایشی میتوانند به عنوان مرزهای پراکنده برای پالسهای بعدی عمل کنند و در نتیجه SPP را هیجانانگیز کنند. پالسهای بعدی یک میدان دمایی دورهای را روی این سطح غیرمسطح از طریق تداخل SPP ایجاد میکنند و باعث توزیع مجدد مواد مذاب در طول این دوره میشوند. سپس، نیروی مارانگونی و فشار پس زدن شروع به توزیع مجدد سیال مذاب می کنند و در نتیجه تشکیل LIPSS را تقویت می کنند.
برای اعتبارسنجی بهتر نتایج شبیهسازی، LIPSS تحت نور لیزر تک نقطهای-فمتوثانیه با نتایج شبیهسازی عددی مقایسه شد. همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، این دو درجه بالایی از سازگاری را در تناوب فضایی نشان می دهند. برای تعیین کمیت این دوره، خطوط خاکستری محلی تصویر SEM در امتداد جهت عمود بر LIPSS استخراج شد، که یک دوره متوسط تقریباً 980 نانومتر را برای ساختار آزمایشی به دست آورد. شکل 8(b) کانتور مقطعی شبیه سازی شده-در همان مقیاس فضایی را نشان می دهد. با نگاشت کانتور سطح شبیه سازی شده بر روی تصویر SEM در همان مختصات و مقیاس، مشاهده شد که موقعیت مکانی قله ها و دره های شبیه سازی شده با نوارهای روشن و تاریک در تصویر SEM مطابقت دارد. دوره شبیه سازی شده تقریباً 960 نانومتر است که با نتایج تجربی اندازه گیری شده با استفاده از روش کانتور مطابقت بسیار خوبی دارد.
06
نتیجه گیری
این مطالعه یک مدل چندفیزیکی مبتنی بر نظریه الکترومغناطیسی، نظریه دینامیک سیالات و خواص ترموفیزیکی مواد از طریق شبیهسازی عددی ساخت. از ابتدا تا انتها شکلگیری ساختارهای دورهای بر روی سطوح فلزی را توضیح داد که توسط اثر هم افزایی اثرات الکترومغناطیسی و ناپایداریهای جریان سیال تحت درمان لیزر چند{1}فمتوثانیهای ایجاد میشود. از طریق تکرارهای متوالی پالس شبیه سازی بر روی سطح مواد و تجزیه و تحلیل مقایسه ای نتایج شبیه سازی با نتایج تجربی، نتیجه می گیریم که تشکیل LIPSS نتیجه اثر هم افزایی دینامیک الکترومغناطیسی و سیالات است.
برهمکنش بین لیزر فمتوثانیه تابشی و سطح ماده، در حضور ناهمواری سطح، SPP هایی را تحریک می کند که با نور فرودی تداخل می کنند. این فرآیند به صورت مکانی متناوب و غیریکنواخت رسوب انرژی بر روی سطح مواد ایجاد می کند. ما تأیید کردیم که این زبری سطح لازم می تواند حفره های فرسایشی ناشی از خود لیزر باشد که می تواند به عنوان شرایط مرزی برای SPP های هیجان انگیز عمل کند. مورفولوژی سطح تشکیل شده توسط پالس های قبلی به عنوان یک توری پراش برای پالس های بعدی عمل می کند و کارایی جفت SPP را بهبود می بخشد. هنگامی که این انرژی دوره ای توسط ماده جذب می شود، به سرعت به یک میدان گرادیان دمای شبکه متناظر تبدیل می شود و یک لایه مذاب گذرا بر روی سطح تشکیل می دهد. این لایه مذاب بسیار نازک، تحت تأثیر گرادیان دما دوره ای، از نظر فیزیکی بسیار ناپایدار است، در نتیجه انتقال سیال را فعال می کند که مهاجرت مواد را کنترل می کند. در طول مرحله ذوب، نیروی مارانگونی، که توسط کشش سطحی هدایت میشود، سیال مذاب را از پایینهای-درجه حرارت بالا به پایین-دما منتقل میکند و یک جریان واگرا با سرعت بالا در فرورفتگیها و یک جریان همگرا با سرعت کم{10}}در ناودان ایجاد میکند. با افزایش تعداد پالس ها، فرورفتگی ها به تدریج عمیق تر می شوند و سیال سطحی به تدریج به فرورفتگی ها محدود می شود. در مرحله تبخیر، افزایش بیشتر در دمای شبکه با افزایش بیشتر فشار پس زدگی همراه است. در این مرحله، فشار پسکشی به عنوان مکانیزم غالب سیال عمل میکند و از نیروی قویتری استفاده میکند تا سیال را از سطح فرورفتگیها به سمت پایین به زیر سطح هدایت کند، در حالی که سیال را به صورت جانبی به سمت تاجها جابجا میکند.
