צוות מחקר משותף בראשות פרופסור Zhang Peilei מאוניברסיטת שנגחאי למדעי ההנדסה, אוניברסיטת לנקסטר, ו-Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. פרסם מאמר מחקר שכותרתו "צימוד אלקטרומגנטי-הידרו-דינמי ומשוב מורפולוגי בהיווצרות והתפתחות של LIPSS על מתכות תחת פמטות-שניות לייזר רב--מפולס ב-International Mathematical Modelling Journal. הצוות הקים מודל רב-פיזיקלי המחבר בין תיאוריה אלקטרומגנטית, תרמופיזיקה חולפת והידרודינמיקה, והשתמש באסטרטגיה איטרטיבית-לפעמים- כדי לחקור את תהליך האבולוציה של מבני משטח מחזוריים (LIPSS) המושרים על ידי לייזר על משטחי סגסוגת טיטניום. בשילוב אימות ניסוי וסימולציה מספרית, הצוות חשף את המנגנון הפיזי של היווצרות ואבולוציה של ננו-מבנה תחת ההשפעה הסינרגטית של זרימת מרנגוני ולחץ הרתיעה תחת מנגנון המשוב המורפולוגי.
01
מָבוֹא
מבני שטח מחזוריים (LIPSS) המושרים בלייזר הם תופעה פיזיקלית שיכולה ליצור מבנים מחזוריים על פני משטחים של חומרים שונים (מתכות, מוליכים למחצה וכו') ונחקרה בהרחבה. LIPSS מסווגים בדרך כלל לשני סוגים: LIPSS עם תקופה קרובה לאורך הגל של הלייזר (LSFL) ו-LIPSS עם תקופה קטנה בהרבה מאורך הגל של הלייזר (HSFL). עבור LSFL קלאסי, מנגנון היווצרות מקובל באופן נרחב כתוצאה מהפרעה בין הלייזר המתרחש לפולריטונים הפלסמוניים של פני השטח (SPPs) הנרגשים על פני החומר (תיאוריה אלקטרומגנטית). למרות שהתיאוריה האלקטרומגנטית מסבירה את התקופה והכיוון של LSFL, היא רק מתארת את שקיעת האנרגיה הראשונית הסטטית ואינה מסבירה את האבולוציה הדינמית של החומר במצב מותך המושרה בלייזר-. תהליך הנדידה של החומר במצב מותך מעצב מחדש את המורפולוגיה של פני השטח לשילוב תקופתי של פסגות ושפלות.
לעיבוד לייזר Femtosecond יש יתרונות ייחודיים בתחום הייצור המיקרו- והננו-בגלל דיוק העיבוד הגבוה שלו ואזור החום הקטן שלו-. רוחב הפולסים הקצר האולטרה-קצר שלו מרכז אנרגיית לייזר על פני החומר בזמן קצר במיוחד, ויוצר מעבר פאזה לא-תרמי בשיווי משקל. מוליכות תרמית של אלקטרונים וחוזק צימוד פונון- אלקטרונים שולטים בשידור והרפיה של אנרגיה אלקטרומגנטית המופקדת בתוך החומר במהלך תהליכים מהירים במיוחד. גורמים אלה הם הסיבות הבסיסיות להבדלים במורפולוגיה של LIPSS שנצפו בחומרים שונים. עם זאת, היווצרות LIPSS היא תהליך מצטבר מרובה-פולסים, כאשר המורפולוגיה של פני השטח שנוצרת על ידי כל פעימה פועלת כתנאי הגבול ההתחלתי של הדופק הבא. יתר על כן, הסדירות של LIPSS מציגה תלות חזקה בתכונות החומר. סימולציות מספריות קודמות רק לעתים רחוקות שקלו את ההשפעה של מורפולוגיה של פני השטח שנוצרו על ידי פולסים קודמים על פולסים עוקבים בסביבות מרובות-פולסים, מרובי-פיזיקה. שינויים במורפולוגיה של משטח החומר בתנאי ריבוי-פולסים מובילים לאי-הומוגניות של שדה הטמפרטורה, אשר בתורה משפיעה על הפיזור מחדש של נוזל מותך המושרה על ידי שיפוע טמפרטורה. זה מחייב ניתוח כמותי ודיון על תהליך התפתחות ה-LIPSS מנקודת מבט של דופק-לפי-דופק.
עיבוד קרני לייזר ואלקטרונים
02
שיטות סימולציה
כדי לחקור את האבולוציה המצטברת של LIPSS תחת קרינת לייזר מרובת-פולסים ומנגנון המשוב החיובי הקשור, זרימת העבודה של הסימולציה מפרקת את אינטראקציית החומר של לייזר-של פעימה בודדת לשלושה שלבים משולבים: חישוב שדה אלקטרומגנטי, אבולוציה תרמודינמית ודינמיקה נוזלית חוזרת בה. במחקר זה, אנו מתמקדים בתהליך האבולוציה המתחיל ממשטח דטרמיניסטי. הסימולציה מתחילה במישור אידיאלי וחלק, שבו בורות אבלציה שנוצרו על ידי פרמטרי לייזר ותגובת החומר נחשבים ל"חספוס היעיל" עבור צימוד אלקטרומגנטי שלאחר מכן. במודל זה, החספוס האפקטיבי הזה מיוצג על ידי אבלציה משטחית מדומה, שיטה המבטלת אי ודאות הקשורה לחספוס ראשוני אקראי של פני השטח, ומאפשרת לנו ללמוד כיצד LIPSS נוצר ומתפשט בקצוות אבלציה ובתוך פני השטח.
03
משוב על מורפולוגיה של פני השטח
תחת קרינת לייזר מרובת-פולסים של פמט-שניות, היווצרות LIPSS אינה סופרפוזיציה פשוטה של שדה פיזיקלי בודד, אלא תהליך אבולוציה דינמי שבו ההשפעה המורפולוגית של פני השטח של פולסים קודמים מקיימת אינטראקציה עם זו של פולסים עוקבים. איור 2 מציג את התפתחות המורפולוגיה של פני החומר ואת ההתפלגות המרחבית המתאימה של השדה החשמלי תחת פולסים מרובים. עבור הדופק הראשוני (N=1), התפלגות השדה החשמלי על פני החומר החלק היא אחידה לרוחב, בעיקר מציגה דפוס גל עומד הנוצר מהפרעות של אור תקף ומוחזר. ככל שמספר הפולסים גדל (N=20, N=30), המשטח החלק בתחילה מתפתח לבורות אבלציה רדודים. הממשק הלא-מישורי שובר את הסימטריה של המישור ומספק את רכיב הווקטור המפוזר של-גל מישור, מה שמוביל לעירור SPP חלש בממשק האוויר המתכתי-. ככל שמספר הפולסים גדל עוד יותר (N=40, N=50), החריצים המחזוריים המופיעים פועלים כרשתות עקיפה אפקטיביות יותר, וכתוצאה מכך צימוד SPP חזק יותר. כפי שמוצג בתצוגה המוגדלת ב-N=50, ההפרעה בין ה-SPP לבין האור הנובע שלאחר מכן מייצרת נקודות חמות אלקטרומגנטיות מקומיות מרחביות בתוך החריצים, כאשר עוצמת השדה החשמלי גבוהה משמעותית מעוצמת השדה הנכנס.
איור 3 ממחיש את האבולוציה של מורפולוגיה של פני החומר ואת התפלגות טמפרטורת הסריג השיא המתאימה תחת מספרים שונים של פולסים (N=1-50). בשלב הראשוני (N=1-10), נוצרים בורות אבלציה על המשטח השטוח. בשלב זה, טמפרטורת פני השטח מופצת בצורה חלקה לרוחב, והתפלגות הטמפרטורה המקבילה מציגה שיא נמוך ורחב, המשקף את ההתפלגות הגאוסית של אנרגיית הלייזר. ככל שמספר הפולסים גדל (N=20-50), מופיעה בהדרגה התפלגות טמפרטורה תקופתית ניגודיות גבוהה, בהתאם להופעת מבני פני שטח תקופתיים. טמפרטורת הסריג הגבוהה ביותר מרוכזת בעמקים של מבנים תקופתיים אלו, בעוד שהטמפרטורה בפסגות נשארת נמוכה יחסית. עלילת חלוקת הטמפרטורה מראה שככל שמספר הפולסים גדל, המשרעת של אפנון טמפרטורה זו הופכת בולטת יותר, וטמפרטורת השיא עולה בהדרגה. על ידי שילוב זה עם התפתחות התפלגות השדה החשמלי המוצגת באיור 2, ניתן להסביר את התפלגות טמפרטורת הסריג תחת פולסים מרובים על ידי מנגנון משוב תרמי אלקטרומגנטי. נקודות חמות אלקטרומגנטיות הממוקמות בעמקים יוצרות מקורות חום לא אחידים במרחב, ובסופו של דבר מייצרים שדה טמפרטורת סריג תקופתי המתאים למורפולוגיה של פני השטח.
04
זרימת נוזלים במהלך שלב ההיתוך
אנרגיית פעימת הלייזר של פמט שנייה מועברת לסריג באמצעות צימוד -פונון אלקטרוני. ברגע שטמפרטורת הסריג מגיעה לנקודת ההיתוך, נוצרת שכבה מותכת חולפת על פני החומר. האבולוציה שלאחר מכן של LIPSS בטווח זמן של פיקושניות נשלטת לא רק על ידי אבלציה סטטית אלא גם על ידי התחבורה ההידרודינמית בתוך שכבה מותכת זו. במודל זה, המחזוריות מוגדרת מראש על ידי שקיעת אנרגיה אלקטרומגנטית, בעוד שלחץ מרנגוני ולחץ הרתיעה מניעים בעיקר את הפיזור מחדש וההסרה של החומר המותך. איורים 4, 5 ו-6 מציגים את מגמות זרימת הנוזל במהלך שלב ההיתוך של תהליך רב-פולים (N=20-40) כאשר המבנה המחזורי מתפתח מרדוד לעומק. בשלב זה, טמפרטורת הסריג עלתה מנקודת ההיתוך אך טרם הגיעה לטמפרטורת האידוי. בשלושת האיורים הללו, a1 ו-a2 מייצגים את השיאים של המבנה המחזורי, בעוד ש-a3 ו-a4 מייצגים את השפל. כפי שמוצג באיור 4, בשלבים המוקדמים של היווצרות מבנה תקופתי (N=20), נוצר שדה טמפרטורה תקופתי על פני השטח, ומתחיל להופיע מבנה גלי. באזורי העמק עם הטמפרטורות הגבוהות ביותר (איור. 4(ג)), המונע על ידי שיפוע מתח פני השטח, אפקט המרנגוני גורם לנוזל פני השטח המותך לזרום במהירות גבוהה ממרכז העמק לפסגות סמוכות. לעומת זאת, באזורי הפסגה עם הטמפרטורות הנמוכות ביותר (איור. 4(ב)), נצפים נוזלים מעמקים סמוכים מתכנסים ומצטברים כלפי מעלה. השוואה של אזורים אלה חושפת זרימה מתפצלת במהירות-בשפלות וזרימה מתכנסת-במהירות נמוכה בפסגות. כפי שמוצג בשדות הזרימה של איור. 4(ב) ו-(ג), זרימת נוזל פני השטח לעבר הפסגות גורמת לזרימה חזרה עמוק יותר בתוך הבריכה המותכת, החוזרת מתחת לפסגה אל העמק. השילוב הזה של זרימת פני השטח החוצה ועצמי זרימת תחתית פנימה-מתארגן לזוג מערבולות מרנגוני טיפוסיות בתוך כל פסגה ושפל של המבנה המחזורי. על ידי השוואת הדמויות, ניתן לראות מהאיורים . 4, 5 ו-6 שככל שהעמקים מעמיקים, נוזל פני השטח מוגבל בתוכם בהדרגה (איורים. 4(c), 5(c) ו-6(c)). עמקים עמוקים יותר תואמים שדות חשמליים מקומיים חזקים יותר, ובכך מדכאים דיפוזיה תרמית רוחבית מהעמק לפסגות סמוכות. כתוצאה מכך נשמר שיפוע טמפרטורה תלול יותר בתוך העמקים. לכן, מכיוון שהכוחות המניעים את תנועת הנוזל תלויים בטמפרטורה, הכוחות הללו נעשים מוגבלים יותר ויותר בתוך העמקים. מנקודת המבט של הגדלת מספר הפולסים, המשמעות היא שהאנרגיה של הפולסים הבאים משמשת להעמקת החריצים הקיימים, במקום לבטל פסגות שכבר נוצרו או לבנות מבנים חדשים. כתוצאה מכך, הפרש הגבהים בין פסגות ועמקים גדל ללא הרף, מה שמוביל להעמקה הדרגתית של המבנה התקופתי.
05
אימות סימולציה
כדי להמחיש את תהליך היווצרותם של מבני פני שטח תקופתיים המונעים על ידי ההשפעה הסינרגטית של השפעות אלקטרומגנטיות וזרימת נוזלים תחת קרינת פולסים מרובת-, הושוו האבולוציה של מורפולוגיה פני השטח שנצפתה בניסוי הסריקה הליניארית עם תוצאות המודל הרב-פיזיקלי האיטרטיבי, כפי שמוצג באיור 7. בשלב הראשוני של הניסוי כוסה החומר האקראי בפולס בעיקר על ידי הצטברות חלקית של הניסוי. הנוצר על ידי אבלציה-מחדש והובלת נוזלים מותכים. בסימולציה, השתמשנו בנקודת ההתחלה המקבילה הפיזית של התפתחות ה-LIPSS, כלומר בורות אבלציה המושרים בלייזר-. גם ננו-חלקיקים אקראיים וגם בורות אבלציה יכולים לשמש גבולות פיזור לפולסים הבאים, ובכך לעורר SPP. פולסים עוקבים מייצרים שדה טמפרטורה תקופתי על פני השטח הלא-מישוריים הזה באמצעות הפרעות SPP, ומניעים את הפיזור מחדש של החומר המותך לאורך תקופה זו. לאחר מכן, כוח מרנגוני ולחץ הרתיעה מתחילים להניע את הפיזור מחדש של הנוזל המותך, ובכך לקדם את היווצרות ה-LIPSS.
כדי לאמת טוב יותר את תוצאות הסימולציה, ה-LIPSS תחת -נקודת תאורת לייזר פמט-שנייה אחת הושווה לתוצאות הסימולציה המספרית. כפי שמוצג באיור 8, השניים מפגינים רמה גבוהה של עקביות במחזוריות המרחבית. כדי לכמת תקופה זו, חולצו קווי מתאר בגווני אפור מקומיים של תמונת SEM לאורך הכיוון הניצב ל-LIPSS, מה שהניב תקופה ממוצעת של כ-980 ננומטר למבנה הניסוי. איור 8(ב) מציג את קו מתאר החתך המדומה- באותו קנה מידה מרחבי. על ידי מיפוי קווי המתאר המדומים על פני תמונת SEM באותן קואורדינטות וקנה מידה, נצפה שהמיקומים המרחביים של הפסגות והעמקים המדומים תואמים היטב את הפסים הבהירים והכהים בתמונת SEM. התקופה המדומה היא כ-960 ננומטר, מה שמתאים מצוין לתוצאות הניסוי שנמדדו בשיטת הקונטור.
06
מַסְקָנָה
מחקר זה בנה מודל מולטי-פיזיקה המבוסס על תיאוריה אלקטרומגנטית, תיאוריית דינמיקת נוזלים והתכונות התרמו-פיזיקליות של חומרים באמצעות סימולציה מספרית. הוא הסביר מההתחלה ועד הסוף את היווצרותם של מבנים תקופתיים על משטחי מתכת המונעים על ידי ההשפעה הסינרגטית של השפעות אלקטרומגנטיות וחוסר יציבות בזרימת נוזלים בטיפול בלייזר רב--פולסי בפמט-שניות. באמצעות איטרציות דופק עוקבות של סימולציה על פני החומר וניתוח השוואתי של תוצאות סימולציה עם תוצאות ניסוי, אנו מסיקים כי היווצרות LIPSS היא תוצאה של ההשפעה הסינרגטית של דינמיקה אלקטרומגנטית ונוזלית.
האינטראקציה בין הלייזר הפמט-שני למשטח החומר, בנוכחות חספוס של פני השטח, מעוררת SPPs המפריעים לאור הנכנס. תהליך זה יוצר שקיעת אנרגיה תקופתית מרחבית ולא- אחידה על פני החומר. אישרנו שחספוס פני השטח ההכרחי הזה יכול להיות בורות אבלציה שנגרמו על ידי הלייזר עצמו, שיכולים לשמש כתנאי גבול עבור SPPs מרגשים. מורפולוגיה של פני השטח שנוצרה על ידי פולסים קודמים פועלת כסריג עקיפה עבור פולסים עוקבים, ומשפרת את יעילות הצימוד SPP. ברגע שאנרגיה תקופתית זו נספגת בחומר, היא הופכת במהירות לשדה שיפוע טמפרטורת סריג תואם, ויוצרת שכבה מותכת חולפת על פני השטח. שכבה מותכת דקה במיוחד זו, המושפעת משיפוע הטמפרטורה התקופתי, היא מאוד לא יציבה פיזית, ובכך מפעילה הובלת נוזלים השולטת בנדידת החומר. במהלך שלב ההיתוך, כוח המרנגוני, המונע על ידי מתח פני השטח, מעביר את הנוזל המותך משפלות-בטמפרטורה גבוהה לפסגות-טמפרטורות נמוכות, ויוצר זרימה מתפצלת במהירות גבוהה-בשפלות וזרימה{10}}מתכנסת במהירות נמוכה בפסגות. ככל שמספר הפולסים גדל, השקתות מעמיקות בהדרגה, ונוזל פני השטח מוגבל בהדרגה לשקתות. במהלך שלב האידוי, העלייה הנוספת בטמפרטורת הסריג מלווה בעלייה נוספת בלחץ הרתיעה. בשלב זה, לחץ הרתע פועל כמנגנון הדומיננטי המניע את הנוזל, תוך שימוש בכוח חזק יותר כדי להניע את הנוזל מפני השטח של השקתות כלפי מטה אל מתחת לפני הקרקע, תוך כדי עקירת הנוזל לרוחב לפסגות.
