शंघाई यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग साइंस, लैंकेस्टर यूनिवर्सिटी और एम्प्लिट्यूड सूज़ौ लेजर कंपनी लिमिटेड के प्रोफेसर झांग पेइली के नेतृत्व में एक संयुक्त शोध दल ने अंतरराष्ट्रीय जर्नल एप्लाइड मैथमैटिकल मॉडलिंग में "फेमटोसेकंड लेजर मल्टी{3}}पल्स विकिरण के तहत धातुओं पर एलआईपीएसएस के गठन और विकास में इलेक्ट्रोमैग्नेटिक -हाइड्रोडायनामिक कपलिंग और मॉर्फोलॉजी फीडबैक" शीर्षक से एक शोध पत्र प्रकाशित किया। टीम ने इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सिद्धांत, क्षणिक थर्मोफिजिक्स और हाइड्रोडायनामिक्स को जोड़ते हुए एक मल्टीफिजिक्स मॉडल की स्थापना की, और टाइटेनियम मिश्र धातु सतहों पर लेजर प्रेरित आवधिक सतह संरचनाओं (एलआईपीएसएस) की विकास प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए एक पल्स{5}}बाय{6}पल्स पुनरावृत्त रणनीति का उपयोग किया। प्रयोगात्मक सत्यापन और संख्यात्मक सिमुलेशन को मिलाकर, टीम ने मॉर्फोलॉजी फीडबैक तंत्र के तहत मारांगोनी प्रवाह और रीकॉइल दबाव के सहक्रियात्मक प्रभाव के तहत नैनोस्ट्रक्चर गठन और विकास के भौतिक तंत्र का खुलासा किया।
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परिचय
लेजर प्रेरित आवधिक सतह संरचनाएं (LIPSS) एक भौतिक घटना है जो विभिन्न सामग्रियों (धातु, अर्धचालक, आदि) की सतहों पर आवधिक संरचनाएं उत्पन्न कर सकती है और इसका बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। LIPSS को आम तौर पर दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है: LIPSS जिसकी अवधि लेजर तरंग दैर्ध्य (LSFL) के करीब होती है और LIPSS जिसकी अवधि लेजर तरंग दैर्ध्य (HSFL) से बहुत कम होती है। शास्त्रीय एलएसएफएल के लिए, गठन तंत्र को भौतिक सतह (विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत) पर उत्तेजित घटना लेजर और सतह प्लास्मोन पोलरिटोन (एसपीपी) के बीच हस्तक्षेप के परिणाम के रूप में व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है। यद्यपि विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत एलएसएफएल की अवधि और दिशा की व्याख्या करता है, यह केवल स्थैतिक प्रारंभिक ऊर्जा जमाव का वर्णन करता है और लेजर प्रेरित पिघली हुई अवस्था में सामग्री के गतिशील विकास की व्याख्या नहीं करता है। पिघली हुई अवस्था में पदार्थ की प्रवास प्रक्रिया सतह की आकृति विज्ञान को चोटियों और गर्तों के आवधिक संयोजन में बदल देती है।
फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण के उच्च प्रसंस्करण परिशुद्धता और छोटे ताप प्रभावित क्षेत्र के कारण सूक्ष्म - और नैनो - निर्माण के क्षेत्र में अद्वितीय फायदे हैं। इसकी अल्ट्राशॉर्ट पल्स चौड़ाई बहुत ही कम समय में सामग्री की सतह पर लेजर ऊर्जा को केंद्रित करती है, जिससे एक गैर-थर्मल संतुलन चरण संक्रमण उत्पन्न होता है। इलेक्ट्रॉन थर्मल चालकता और इलेक्ट्रॉन {{6}फोनन युग्मन शक्ति अल्ट्राफास्ट प्रक्रियाओं के दौरान सामग्री के भीतर जमा विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के संचरण और विश्राम पर हावी होती है। ये कारक विभिन्न सामग्रियों पर देखे गए LIPSS आकारिकी में अंतर के मूल कारण हैं। हालाँकि, LIPSS का गठन एक संचयी बहु-पल्स प्रक्रिया है, जिसमें प्रत्येक पल्स द्वारा उत्पन्न सतह आकृति विज्ञान अगले पल्स के लिए प्रारंभिक सीमा स्थिति के रूप में कार्य करता है। इसके अलावा, LIPSS की नियमितता भौतिक गुणों पर एक मजबूत निर्भरता दर्शाती है। पिछले संख्यात्मक सिमुलेशन ने मल्टी-{12}पल्स, मल्टी-{13}}भौतिकी वातावरण में बाद के पल्स पर पिछले पल्स द्वारा उत्पन्न सतह आकृति विज्ञान के प्रभाव पर शायद ही कभी विचार किया है। मल्टीपल पल्स स्थितियों के तहत भौतिक सतह आकारिकी में परिवर्तन से तापमान क्षेत्र में असमानता हो जाती है, जो बदले में तापमान प्रवणता से प्रेरित पिघले हुए तरल पदार्थ के पुनर्वितरण को प्रभावित करती है। इसके लिए स्पंदन-दरस्पंद परिप्रेक्ष्य से LIPSS विकास प्रक्रिया के मात्रात्मक विश्लेषण और चर्चा की आवश्यकता होती है।
लेजर और इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण
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सिमुलेशन तरीके
मल्टी{0}पल्स फेमटोसेकंड लेजर विकिरण और संबंधित सकारात्मक प्रतिक्रिया तंत्र के तहत एलआईपीएसएस के संचयी विकास का अध्ययन करने के लिए, सिमुलेशन वर्कफ़्लो लेजर को एक ही पल्स के पदार्थ इंटरेक्शन को तीन युग्मित चरणों में विघटित करता है: विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र गणना, थर्मोडायनामिक विकास, और द्रव गतिशीलता, जिसे फिर पुनरावृत्त सिमुलेशन में दोहराया जाता है। इस अध्ययन में, हम नियतिवादी सतह से शुरू होने वाली विकास प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित करते हैं। सिमुलेशन एक आदर्श, चिकने विमान से शुरू होता है, जहां लेजर मापदंडों और सामग्री प्रतिक्रिया द्वारा उत्पन्न एब्लेशन गड्ढों को बाद के विद्युत चुम्बकीय युग्मन के लिए "प्रभावी खुरदरापन" माना जाता है। इस मॉडल में, इस प्रभावी खुरदरापन को सिम्युलेटेड सतह एब्लेशन द्वारा दर्शाया जाता है, एक ऐसी विधि जो यादृच्छिक प्रारंभिक सतह खुरदरापन से जुड़ी अनिश्चितताओं को समाप्त करती है, जिससे हमें यह अध्ययन करने की अनुमति मिलती है कि एलआईपीएसएस कैसे बनता है और एब्लेशन किनारों पर और सतह के भीतर फैलता है।
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भूतल आकृति विज्ञान प्रतिक्रिया
मल्टी-पल्स फेमटोसेकंड लेजर विकिरण के तहत, LIPSS का गठन किसी एकल भौतिक क्षेत्र का एक सरल सुपरपोजिशन नहीं है, बल्कि एक गतिशील विकास प्रक्रिया है जिसमें पिछले दालों की सतह आकृति विज्ञान प्रभाव बाद के दालों के साथ परस्पर क्रिया करता है। चित्र 2 भौतिक सतह आकृति विज्ञान के विकास और कई स्पंदों के तहत विद्युत क्षेत्र के संबंधित स्थानिक वितरण को दर्शाता है। प्रारंभिक पल्स (एन=1) के लिए, चिकनी सामग्री की सतह पर विद्युत क्षेत्र वितरण पार्श्व रूप से एक समान होता है, जो मुख्य रूप से घटना और परावर्तित प्रकाश के हस्तक्षेप से गठित एक स्थायी तरंग पैटर्न को प्रदर्शित करता है। जैसे-जैसे दालों की संख्या बढ़ती है (एन=20, एन=30), शुरू में चिकनी सतह उथले उच्छेदन गड्ढों में विकसित होती है। गैर-तलीय इंटरफ़ेस विमान की समरूपता को तोड़ता है और विमान में बिखरे हुए तरंग वेक्टर घटक प्रदान करता है, जिससे धातु वायु इंटरफ़ेस पर कमजोर एसपीपी उत्तेजना होती है। जैसे-जैसे दालों की संख्या और बढ़ती है (एन=40, एन=50), दिखाई देने वाले आवधिक खांचे अधिक प्रभावी विवर्तन झंझरी के रूप में कार्य करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप मजबूत एसपीपी युग्मन होता है। जैसा कि एन=50 पर आवर्धित दृश्य में दिखाया गया है, एसपीपी और उसके बाद की घटना प्रकाश के बीच हस्तक्षेप खांचे के भीतर स्थानिक स्थानीय विद्युत चुम्बकीय हॉटस्पॉट उत्पन्न करता है, जहां विद्युत क्षेत्र की तीव्रता घटना क्षेत्र की तीव्रता से काफी अधिक है।
चित्र 3 सामग्री की सतह आकृति विज्ञान के विकास और विभिन्न संख्या में दालों (एन=1-50) के तहत संबंधित शिखर जाली तापमान वितरण को दर्शाता है। प्रारंभिक चरण (एन=1-10) में, समतल सतह पर उच्छेदन गड्ढे बनते हैं। इस समय, सतह का तापमान पार्श्व रूप से सुचारू रूप से वितरित होता है, और संबंधित तापमान वितरण एक कम और विस्तृत शिखर प्रदर्शित करता है, जो लेजर ऊर्जा के गाऊसी वितरण को दर्शाता है। जैसे-जैसे दालों की संख्या बढ़ती है (एन=20-50), एक उच्च कंट्रास्ट आवधिक तापमान वितरण धीरे-धीरे प्रकट होता है, जो आवधिक सतह संरचनाओं के उद्भव के अनुरूप होता है। उच्चतम जाली तापमान इन आवधिक संरचनाओं की घाटियों में केंद्रित है, जबकि चोटियों पर तापमान अपेक्षाकृत कम रहता है। तापमान वितरण प्लॉट से पता चलता है कि जैसे-जैसे दालों की संख्या बढ़ती है, इस तापमान मॉड्यूलेशन का आयाम अधिक स्पष्ट हो जाता है, और चरम तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है। चित्र 2 में दिखाए गए विद्युत क्षेत्र वितरण के विकास के साथ इसे जोड़कर, कई दालों के तहत जाली तापमान वितरण को विद्युत चुम्बकीय थर्मल फीडबैक तंत्र द्वारा समझाया जा सकता है। घाटियों में स्थित विद्युत चुम्बकीय गर्म स्थान स्थानिक रूप से गैर-समान ताप स्रोत बनाते हैं, जो अंततः सतह आकृति विज्ञान के अनुरूप एक आवधिक जाली तापमान क्षेत्र उत्पन्न करते हैं।
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पिघलने की अवस्था के दौरान द्रव का प्रवाह
फेमटोसेकंड लेजर पल्स ऊर्जा को इलेक्ट्रॉन {{0}फोनन युग्मन के माध्यम से जाली में स्थानांतरित किया जाता है। एक बार जब जाली का तापमान पिघलने बिंदु तक पहुंच जाता है, तो सामग्री की सतह पर एक क्षणिक पिघली हुई परत बन जाती है। पिकोसेकंड टाइमस्केल पर LIPSS के बाद के विकास को न केवल स्थैतिक पृथक्करण द्वारा नियंत्रित किया जाता है, बल्कि इस पिघली हुई परत के भीतर हाइड्रोडायनामिक परिवहन द्वारा भी नियंत्रित किया जाता है। इस मॉडल में, आवधिकता को विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा जमाव द्वारा पूर्वनिर्धारित किया जाता है, जबकि मारांगोनी तनाव और पुनरावृत्ति दबाव मुख्य रूप से पिघले हुए पदार्थ के पुनर्वितरण और निष्कासन को संचालित करते हैं। चित्र 4, 5, और 6 एक बहु-पल्स प्रक्रिया (एन=20-40) के पिघलने के चरण के दौरान द्रव प्रवाह के रुझान को दर्शाते हैं क्योंकि आवधिक संरचना उथले से गहरे तक विकसित होती है। इस स्तर पर, जाली का तापमान पिघलने बिंदु से अधिक हो गया है लेकिन अभी तक वाष्पीकरण तापमान तक नहीं पहुंचा है। इन तीन आंकड़ों में, a1 और a2 आवधिक संरचना के शिखर का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि a3 और a4 गर्त का प्रतिनिधित्व करते हैं। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, आवधिक संरचना निर्माण (एन {{18%)) के प्रारंभिक चरण में, सतह पर एक आवधिक तापमान क्षेत्र स्थापित हो गया है, और एक लहरदार संरचना दिखाई देने लगती है। उच्चतम तापमान वाले घाटी क्षेत्रों में (चित्र. 4(सी)), सतह तनाव प्रवणता द्वारा संचालित, मारांगोनी प्रभाव के कारण पिघला हुआ सतह द्रव घाटी केंद्र से आसन्न चोटियों तक उच्च गति से प्रवाहित होता है। इसके विपरीत, सबसे कम तापमान वाले शिखर क्षेत्रों में (चित्र. 4(बी)), निकटवर्ती घाटियों से तरल पदार्थ एकत्रित होकर ऊपर की ओर जमा होता हुआ देखा जाता है। इन क्षेत्रों की तुलना से गर्तों में उच्च गति वाले अपसारी प्रवाह और शिखरों में कम गति वाले अभिसरण प्रवाह का पता चलता है। जैसा कि चित्र (बी) और (सी) के प्रवाह क्षेत्रों में दिखाया गया है, शिखर की ओर सतह के तरल पदार्थ का प्रवाह पिघले हुए पूल के भीतर गहरे प्रवाह का कारण बनता है, जो शिखर के नीचे से घाटी की ओर लौटता है। बाहरी सतही प्रवाह और अंदर की ओर नीचे की ओर प्रवाह का यह संयोजन आवर्त संरचना के प्रत्येक शिखर और गर्त के भीतर विशिष्ट मारांगोनी भंवरों की एक जोड़ी में व्यवस्थित होता है। आंकड़ों की तुलना करने पर, यह चित्र {{31 }}, 5, और 6 से देखा जा सकता है कि जैसे-जैसे घाटियाँ गहरी होती जाती हैं, सतह का तरल पदार्थ धीरे-धीरे उनके भीतर सीमित होता जाता है (चित्र {{34 }}(सी), 5(सी), और 6(सी))। गहरी घाटियाँ मजबूत स्थानीय विद्युत क्षेत्रों से मेल खाती हैं, जिससे घाटी से निकटवर्ती चोटियों तक पार्श्व तापीय प्रसार दब जाता है। इसके परिणामस्वरूप घाटियों के भीतर तापमान में तीव्र गिरावट बनी रहती है। इसलिए, चूंकि द्रव की गति को चलाने वाली ताकतें तापमान पर निर्भर करती हैं, इसलिए ये ताकतें घाटियों के भीतर तेजी से सीमित हो जाती हैं। दालों की संख्या में वृद्धि के परिप्रेक्ष्य से, इसका मतलब यह है कि बाद की दालों की ऊर्जा का उपयोग मौजूदा खांचे को गहरा करने के लिए किया जाता है, न कि पहले से बनी चोटियों को खत्म करने या नई संरचनाओं के निर्माण के लिए। नतीजतन, चोटियों और घाटियों के बीच ऊंचाई का अंतर लगातार बढ़ता जाता है, जिससे आवधिक संरचना धीरे-धीरे गहरी होती जाती है।
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सिमुलेशन सत्यापन
विद्युत चुम्बकीय प्रभाव और मल्टी-{0} पल्स विकिरण के तहत द्रव प्रवाह के सहक्रियात्मक प्रभाव से प्रेरित आवधिक सतह संरचनाओं के निर्माण की प्रक्रिया को चित्रित करने के लिए, रैखिक स्कैनिंग प्रयोग में देखी गई सतह आकृति विज्ञान विकास की तुलना पुनरावृत्त मल्टीफ़िज़िक्स मॉडल के परिणामों के साथ की गई थी, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है। प्रयोग में पल्स संचय के प्रारंभिक चरण में, सामग्री की सतह मुख्य रूप से अपस्फीति और पिघले हुए द्रव परिवहन द्वारा उत्पन्न यादृच्छिक नैनोकणों द्वारा कवर की गई थी। सिमुलेशन में, हमने LIPSS विकास के भौतिक समतुल्य प्रारंभिक बिंदु, अर्थात् लेजर प्रेरित एब्लेशन पिट्स का उपयोग किया। दोनों यादृच्छिक नैनोकण और एब्लेशन पिट बाद की दालों के लिए बिखरने वाली सीमाओं के रूप में काम कर सकते हैं, जिससे एसपीपी रोमांचक हो सकता है। बाद की दालें एसपीपी हस्तक्षेप के माध्यम से इस गैर-तलीय सतह पर एक आवधिक तापमान क्षेत्र स्थापित करती हैं, जिससे इस अवधि के दौरान पिघले हुए पदार्थ का पुनर्वितरण होता है। फिर, मारांगोनी बल और पीछे हटने का दबाव पिघले हुए तरल पदार्थ के पुनर्वितरण को प्रेरित करना शुरू कर देता है, जिससे LIPSS के निर्माण को बढ़ावा मिलता है।
सिमुलेशन परिणामों को बेहतर ढंग से मान्य करने के लिए, एकल -बिंदु फेमटोसेकंड लेजर रोशनी के तहत LIPSS की तुलना संख्यात्मक सिमुलेशन परिणामों के साथ की गई थी। जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, दोनों स्थानिक आवधिकता में उच्च स्तर की स्थिरता प्रदर्शित करते हैं। इस अवधि को मापने के लिए, SEM छवि के स्थानीय ग्रेस्केल आकृति को LIPSS की लंबवत दिशा में निकाला गया, जिससे प्रायोगिक संरचना के लिए लगभग 980 एनएम की औसत अवधि प्राप्त हुई। चित्र 8(बी) समान स्थानिक पैमाने पर सिम्युलेटेड क्रॉस-अनुभागीय समोच्च दिखाता है। समान निर्देशांक और पैमाने पर एसईएम छवि पर सिम्युलेटेड सतह समोच्च को मैप करके, यह देखा गया कि सिम्युलेटेड चोटियों और घाटियों की स्थानिक स्थिति एसईएम छवि में उज्ज्वल और अंधेरे धारियों से निकटता से मेल खाती है। सिम्युलेटेड अवधि लगभग 960 एनएम है, जो समोच्च विधि का उपयोग करके मापे गए प्रयोगात्मक परिणामों के साथ उत्कृष्ट समझौते में है।
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निष्कर्ष
इस अध्ययन ने संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत, द्रव गतिशीलता सिद्धांत और सामग्रियों के थर्मोफिजिकल गुणों के आधार पर एक बहुभौतिकी मॉडल का निर्माण किया। इसमें मल्टी-पल्स फेमटोसेकंड लेजर उपचार के तहत विद्युत चुम्बकीय प्रभावों और द्रव प्रवाह अस्थिरताओं के सहक्रियात्मक प्रभाव से प्रेरित धातु सतहों पर आवधिक संरचनाओं के निर्माण को शुरू से अंत तक समझाया गया। भौतिक सतह पर सिमुलेशन के क्रमिक पल्स पुनरावृत्तियों और प्रयोगात्मक परिणामों के साथ सिमुलेशन परिणामों के तुलनात्मक विश्लेषण के माध्यम से, हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि LIPSS का गठन विद्युत चुम्बकीय और द्रव गतिशीलता के सहक्रियात्मक प्रभाव का परिणाम है।
सतह की खुरदरापन की उपस्थिति में, आपतित फेमटोसेकंड लेजर और सामग्री की सतह के बीच की बातचीत, एसपीपी को उत्तेजित करती है जो आपतित प्रकाश में हस्तक्षेप करती है। यह प्रक्रिया भौतिक सतह पर स्थानिक रूप से आवधिक और गैर-समान ऊर्जा जमाव उत्पन्न करती है। हमने पुष्टि की है कि यह आवश्यक सतह खुरदरापन लेजर के कारण होने वाले अपक्षय गड्ढे हो सकते हैं, जो रोमांचक एसपीपी के लिए सीमा स्थितियों के रूप में काम कर सकते हैं। पिछली दालों द्वारा बनाई गई सतह आकृति विज्ञान बाद की दालों के लिए विवर्तन झंझरी के रूप में कार्य करती है, जिससे एसपीपी युग्मन दक्षता में सुधार होता है। एक बार जब यह आवधिक ऊर्जा सामग्री द्वारा अवशोषित हो जाती है, तो यह तेजी से एक संबंधित जाली तापमान ढाल क्षेत्र में बदल जाती है, जिससे सतह पर एक क्षणिक पिघली हुई परत बन जाती है। यह अत्यंत पतली पिघली हुई परत, जो आवधिक तापमान प्रवणता से प्रभावित होती है, शारीरिक रूप से अत्यधिक अस्थिर होती है, जिससे द्रव परिवहन सक्रिय होता है जो सामग्री प्रवासन को नियंत्रित करता है। पिघलने के चरण के दौरान, सतह के तनाव से प्रेरित मारंगोनी बल, पिघले हुए तरल पदार्थ को उच्च तापमान वाले गर्त से निम्न तापमान वाले शिखर की ओर स्थानांतरित करता है, जिससे गर्त में उच्च गति वाला अपसारी प्रवाह और शिखर में कम गति वाला अभिसारी प्रवाह बनता है। जैसे-जैसे दालों की संख्या बढ़ती है, गर्त धीरे-धीरे गहरे होते जाते हैं, और सतह का तरल पदार्थ धीरे-धीरे गर्त तक ही सीमित हो जाता है। वाष्पीकरण चरण के दौरान, जाली के तापमान में और वृद्धि के साथ-साथ रिकॉइल दबाव में और वृद्धि होती है। इस बिंदु पर, रिकॉइल दबाव तरल पदार्थ को चलाने वाले प्रमुख तंत्र के रूप में कार्य करता है, जो तरल पदार्थ को कुंडों की सतह से नीचे की ओर उपसतह तक ले जाने के लिए मजबूत बल का उपयोग करता है, जबकि बाद में तरल पदार्थ को शिखर पर विस्थापित करता है।
