Un gruppo di ricerca congiunto guidato dal professor Zhang Peilei dell'Università di Ingegneria di Shanghai, Università di Lancaster e Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. ha pubblicato un documento di ricerca intitolato "Electromagnetic-idrodinamico accoppiamento e feedback morfologico nella formazione ed evoluzione di LIPSS sui metalli sottoposti a femtosecond laser multi-pulse irradiation" sulla rivista internazionale Applied Mathematical Modelling. Il team ha creato un modello multifisico che unisce teoria elettromagnetica, termofisica transitoria e idrodinamica e ha utilizzato una strategia iterativa impulso-per-impulso per studiare il processo di evoluzione delle strutture superficiali periodiche indotte dal laser (LIPSS) su superfici in lega di titanio. Combinando verifica sperimentale e simulazione numerica, il team ha rivelato il meccanismo fisico di formazione ed evoluzione della nanostruttura sotto l'effetto sinergico del flusso Marangoni e della pressione di rinculo sotto il meccanismo di feedback della morfologia.
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Introduzione
Le strutture superficiali periodiche indotte dal laser (LIPSS) sono un fenomeno fisico che può generare strutture periodiche sulle superfici di vari materiali (metalli, semiconduttori, ecc.) e sono state ampiamente studiate. I LIPSS sono generalmente classificati in due tipologie: LIPSS con un periodo vicino alla lunghezza d'onda del laser (LSFL) e LIPSS con un periodo molto più piccolo della lunghezza d'onda del laser (HSFL). Per l'LSFL classico, il meccanismo di formazione è ampiamente accettato come il risultato dell'interferenza tra il laser incidente e i polaritoni plasmonici superficiali (SPP) eccitati sulla superficie del materiale (teoria elettromagnetica). Sebbene la teoria elettromagnetica spieghi il periodo e la direzione dell'LSFL, descrive solo la deposizione statica iniziale di energia e non spiega l'evoluzione dinamica del materiale in uno stato fuso indotto dal laser-. Il processo di migrazione della materia allo stato fuso rimodella la morfologia superficiale in una combinazione periodica di picchi e avvallamenti.
La lavorazione laser a femtosecondi presenta vantaggi unici nel campo della micro- e della nano-fabbricazione grazie all'elevata precisione di lavorazione e alla piccola zona-influenzata dal calore. La sua larghezza di impulso ultrabreve concentra l'energia laser sulla superficie del materiale in un tempo estremamente breve, generando una transizione di fase non-di equilibrio termico. La conduttività termica degli elettroni e la forza di accoppiamento degli elettroni-fononi dominano la trasmissione e il rilassamento dell'energia elettromagnetica depositata all'interno del materiale durante i processi ultraveloci. Questi fattori sono le ragioni fondamentali delle differenze nella morfologia LIPSS osservata su vari materiali. Tuttavia, la formazione del LIPSS è un processo cumulativo multi-impulso, con la morfologia superficiale generata da ciascun impulso che funge da condizione al contorno iniziale per l'impulso successivo. Inoltre, la regolarità del LIPSS mostra una forte dipendenza dalle proprietà del materiale. Le precedenti simulazioni numeriche hanno raramente considerato l'influenza della morfologia superficiale generata dagli impulsi precedenti sugli impulsi successivi in ambienti multi-impulso e multi-fisica. I cambiamenti nella morfologia della superficie del materiale in condizioni di impulso multi- portano a una disomogeneità del campo di temperatura, che a sua volta influenza la ridistribuzione del fluido fuso indotta dai gradienti di temperatura. Ciò richiede un'analisi quantitativa e una discussione del processo di evoluzione del LIPSS da una prospettiva impulso-per-impulso.
Elaborazione laser e fascio di elettroni
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Metodi di simulazione
Per studiare l'evoluzione cumulativa di LIPSS sotto irradiazione laser a femtosecondi multi-impulso e il relativo meccanismo di feedback positivo, il flusso di lavoro di simulazione decompone l'interazione laser-materia di un singolo impulso in tre fasi accoppiate: calcolo del campo elettromagnetico, evoluzione termodinamica e dinamica dei fluidi, che vengono poi ripetuti in simulazioni iterative. In questo studio ci concentriamo sul processo di evoluzione a partire da una superficie deterministica. La simulazione inizia con un piano ideale e liscio, dove i buchi di ablazione generati dai parametri laser e dalla risposta del materiale sono considerati come la "rugosità effettiva" per il successivo accoppiamento elettromagnetico. In questo modello, questa rugosità effettiva è rappresentata dall'ablazione superficiale simulata, un metodo che elimina le incertezze associate alla ruvidità superficiale iniziale casuale, permettendoci di studiare come LIPSS si forma e si propaga ai bordi di ablazione e all'interno della superficie.
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Feedback sulla morfologia superficiale
Sotto l'irradiazione laser a femtosecondi multi-impulso, la formazione di LIPSS non è una semplice sovrapposizione di un singolo campo fisico, ma un processo di evoluzione dinamica in cui l'influenza della morfologia superficiale degli impulsi precedenti interagisce con quella degli impulsi successivi. La Figura 2 mostra l'evoluzione della morfologia superficiale del materiale e la corrispondente distribuzione spaziale del campo elettrico sotto impulsi multipli. Per l'impulso iniziale (N=1), la distribuzione del campo elettrico sulla superficie liscia del materiale è uniforme lateralmente, mostrando principalmente un modello di onde stazionarie formato dall'interferenza della luce incidente e riflessa. All'aumentare del numero di impulsi (N=20, N=30), la superficie inizialmente liscia evolve in fosse di ablazione superficiali. L'interfaccia non-planare rompe la simmetria del piano e fornisce la componente vettoriale d'onda diffusa nel-piano, che porta a una debole eccitazione SPP nell'interfaccia metallo-aria. Man mano che il numero di impulsi aumenta ulteriormente (N=40, N=50), i solchi periodici che appaiono agiscono come reticoli di diffrazione più efficaci, risultando in un accoppiamento SPP più forte. Come mostrato nella vista ingrandita a N=50, l'interferenza tra l'SPP e la successiva luce incidente genera punti caldi elettromagnetici spaziali locali all'interno delle scanalature, dove l'intensità del campo elettrico è significativamente superiore all'intensità del campo incidente.
La Figura 3 illustra l'evoluzione della morfologia superficiale del materiale e la corrispondente distribuzione della temperatura di picco del reticolo sotto diversi numeri di impulsi (N=1-50). Nella fase iniziale (N=1-10), si formano fosse di ablazione sulla superficie piana. In questo momento, la temperatura superficiale è distribuita uniformemente lateralmente e la corrispondente distribuzione della temperatura presenta un picco basso e ampio, che riflette la distribuzione gaussiana dell'energia laser. All'aumentare del numero di impulsi (N=20-50), appare gradualmente una distribuzione periodica della temperatura ad alto-contrasto, coerente con l'emergere di strutture superficiali periodiche. La temperatura reticolare più elevata è concentrata nelle valli di queste strutture periodiche, mentre la temperatura ai picchi rimane relativamente bassa. Il grafico della distribuzione della temperatura mostra che all’aumentare del numero di impulsi, l’ampiezza di questa modulazione della temperatura diventa più pronunciata e la temperatura di picco aumenta gradualmente. Combinando questo con l'evoluzione della distribuzione del campo elettrico mostrata nella Figura 2, la distribuzione della temperatura del reticolo sotto impulsi multipli può essere spiegata da un meccanismo di feedback termico elettromagnetico. I punti caldi elettromagnetici situati nelle valli formano sorgenti di calore spazialmente non-uniformi, generando infine un campo periodico di temperatura reticolare corrispondente alla morfologia superficiale.
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Flusso del fluido durante la fase di fusione
L'energia dell'impulso laser a femtosecondi viene trasferita al reticolo tramite accoppiamento elettrone-fononico. Una volta che la temperatura del reticolo raggiunge il punto di fusione, sulla superficie del materiale si forma uno strato fuso transitorio. La successiva evoluzione di LIPSS su una scala temporale di picosecondi è controllata non solo dall'ablazione statica ma anche dal trasporto idrodinamico all'interno di questo strato fuso. In questo modello, la periodicità è predefinita dalla deposizione di energia elettromagnetica, mentre lo stress Marangoni e la pressione di rinculo guidano principalmente la ridistribuzione e la rimozione del materiale fuso. Le Figure 4, 5 e 6 mostrano le tendenze del flusso del fluido durante la fase di fusione di un processo a più-impulsi (N=20-40) mentre la struttura periodica evolve da superficiale a profondo. In questa fase la temperatura del reticolo ha superato il punto di fusione ma non ha ancora raggiunto la temperatura di vaporizzazione. In queste tre figure, a1 e a2 rappresentano i picchi della struttura periodica, mentre a3 e a4 rappresentano i minimi. Come mostrato nella Figura 4, nelle prime fasi della formazione della struttura periodica (N=20), sulla superficie si è stabilito un campo di temperatura periodica e inizia ad apparire una struttura ondulata. Nelle regioni della valle con le temperature più alte (Fig. 4(c)), guidato dal gradiente di tensione superficiale, l'effetto Marangoni fa sì che il fluido superficiale fuso scorra ad alta velocità dal centro della valle ai picchi adiacenti. Al contrario, nelle regioni di cresta con le temperature più basse (Fig. 4(b)), si osserva che il fluido proveniente dalle valli adiacenti converge e si accumula verso l'alto. Un confronto di queste regioni rivela un flusso divergente ad alta-velocità nelle valli e un flusso convergente a bassa-velocità nelle creste. Come mostrato nei campi di flusso di Fig. 4(b) e (c), il flusso del fluido superficiale verso le creste provoca un riflusso più profondo all'interno della pozza fusa, ritornando da sotto il picco alla valle. Questa combinazione di flusso superficiale verso l'esterno e flusso inferiore verso l'interno si auto-organizza in una coppia di tipici vortici Marangoni all'interno di ciascuna cresta e valle della struttura periodica. Confrontando le figure, si può vedere dalle Figg. 4, 5 e 6 che man mano che le valli si approfondiscono, il fluido superficiale viene gradualmente confinato al loro interno (Figg. 4(c), 5(c) e 6(c)). Le valli più profonde corrispondono a campi elettrici locali più forti, sopprimendo così la diffusione termica laterale dalla valle ai picchi adiacenti. Ciò si traduce nel mantenimento di un gradiente di temperatura più ripido all'interno delle valli. Pertanto, poiché le forze che guidano il movimento del fluido dipendono dalla temperatura, queste forze diventano sempre più confinate all’interno delle valli. Dal punto di vista dell'aumento del numero di impulsi, ciò significa che l'energia degli impulsi successivi viene utilizzata per approfondire i solchi esistenti, piuttosto che per eliminare i picchi già formati o costruire nuove strutture. Di conseguenza, il dislivello tra picchi e valli aumenta continuamente, portando ad un graduale approfondimento della struttura periodica.
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Verifica della simulazione
Per illustrare il processo di formazione di strutture superficiali periodiche guidate dall'effetto sinergico degli effetti elettromagnetici e del flusso del fluido sotto irradiazione multi-impulso, l'evoluzione della morfologia superficiale osservata nell'esperimento di scansione lineare è stata confrontata con i risultati del modello multifisico iterativo, come mostrato nella Figura 7. Nella fase iniziale di accumulo di impulsi nell'esperimento, la superficie del materiale era principalmente ricoperta da nanoparticelle casuali generate dall'ablazione-rideposizione e dal trasporto del fluido fuso. Nella simulazione, abbiamo utilizzato il punto di partenza fisico equivalente dell'evoluzione LIPSS, vale a dire i pozzi di ablazione indotti dal laser-. Sia le nanoparticelle casuali che le fosse di ablazione possono fungere da confini di diffusione per gli impulsi successivi, eccitando così l'SPP. Gli impulsi successivi stabiliscono un campo di temperatura periodico su questa superficie non-planare attraverso l'interferenza SPP, guidando la ridistribuzione del materiale fuso lungo questo periodo. Quindi, la forza Marangoni e la pressione di rinculo iniziano a guidare la ridistribuzione del fluido fuso, promuovendo così la formazione di LIPSS.
Per convalidare meglio i risultati della simulazione, il LIPSS sotto illuminazione laser a femtosecondi a-punto singolo è stato confrontato con i risultati della simulazione numerica. Come mostrato nella Figura 8, i due mostrano un elevato grado di coerenza nella periodicità spaziale. Per quantificare questo periodo, i contorni locali in scala di grigi dell'immagine SEM sono stati estratti lungo la direzione perpendicolare al LIPSS, ottenendo un periodo medio di circa 980 nm per la struttura sperimentale. La Figura 8(b) mostra il contorno della sezione trasversale simulato-alla stessa scala spaziale. Mappando il contorno della superficie simulata sull'immagine SEM alle stesse coordinate e scala, è stato osservato che le posizioni spaziali dei picchi e delle valli simulati corrispondono strettamente alle strisce chiare e scure nell'immagine SEM. Il periodo simulato è di circa 960 nm, che è in ottimo accordo con i risultati sperimentali misurati utilizzando il metodo del contorno.
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Conclusione
Questo studio ha costruito un modello multifisico basato sulla teoria elettromagnetica, sulla teoria della dinamica dei fluidi e sulle proprietà termofisiche dei materiali attraverso la simulazione numerica. Ha spiegato dall'inizio alla fine la formazione di strutture periodiche sulle superfici metalliche guidata dall'effetto sinergico degli effetti elettromagnetici e delle instabilità del flusso del fluido durante il trattamento laser a femtosecondi a impulsi multipli. Attraverso successive iterazioni di impulsi di simulazione sulla superficie del materiale e analisi comparativa dei risultati della simulazione con risultati sperimentali, concludiamo che la formazione di LIPSS è il risultato dell'effetto sinergico della dinamica elettromagnetica e dei fluidi.
L'interazione tra il laser incidente a femtosecondi e la superficie del materiale, in presenza di rugosità superficiale, eccita gli SPP che interferiscono con la luce incidente. Questo processo genera una deposizione di energia spazialmente periodica e non-uniforme sulla superficie del materiale. Abbiamo confermato che questa necessaria rugosità superficiale può essere un solco di ablazione causato dal laser stesso, che può servire come condizioni al contorno per eccitanti SPP. La morfologia superficiale formata dagli impulsi precedenti agisce come un reticolo di diffrazione per gli impulsi successivi, migliorando l'efficienza dell'accoppiamento SPP. Una volta che questa energia periodica viene assorbita dal materiale, si trasforma rapidamente in un corrispondente campo di gradiente di temperatura del reticolo, formando uno strato fuso transitorio sulla superficie. Questo strato fuso estremamente sottile, influenzato dal gradiente periodico di temperatura, è fisicamente altamente instabile, attivando così il trasporto di fluidi che controlla la migrazione del materiale. Durante la fase di fusione, la forza di Marangoni, guidata dalla tensione superficiale, migra il fluido fuso da vasche ad alta-temperatura a creste a bassa-temperatura, formando un flusso divergente ad alta-velocità nelle vasche e un flusso convergente a bassa-velocità nelle creste. All'aumentare del numero di impulsi, i canali si approfondiscono gradualmente e il fluido superficiale viene gradualmente confinato nei canali. Durante la fase di vaporizzazione, l'ulteriore aumento della temperatura del reticolo è accompagnato da un ulteriore aumento della pressione di rinculo. A questo punto, la pressione di ritorno agisce come il meccanismo dominante che guida il fluido, utilizzando una forza maggiore per spingere il fluido dalla superficie delle fosse verso il basso fino al sottosuolo, spostando anche lateralmente il fluido verso le creste.
