Lancaster 대학의 Zhang Peilei 교수와 Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd.가 이끄는 공동 연구팀은 국제 저널 Applied Mathematical Modelling에 "펨토초 레이저 다중{3}}펄스 조사 하에서 금속에 대한 LIPSS의 형성 및 진화에 대한 전자기-유체 역학적 결합 및 형태학 피드백"이라는 제목의 연구 논문을 게재했습니다. 팀은 전자기 이론, 과도 열물리학, 유체 역학을 결합한 다중물리 모델을 확립하고 펄스-별-펄스 반복 전략을 사용하여 티타늄 합금 표면의 레이저-유도 주기 표면 구조(LIPSS)의 진화 과정을 연구했습니다. 실험적 검증과 수치 시뮬레이션을 결합하여 팀은 형태 피드백 메커니즘 하에서 마랑고니 유동 및 반동 압력의 시너지 효과 하에서 나노구조 형성 및 진화의 물리적 메커니즘을 밝혀냈습니다.
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소개
레이저-유도 주기 표면 구조(LIPSS)는 다양한 재료(금속, 반도체 등)의 표면에 주기 구조를 생성할 수 있는 물리적 현상으로 광범위하게 연구되어 왔습니다. LIPSS는 일반적으로 레이저 파장에 가까운 주기를 갖는 LIPSS(LSFL)와 레이저 파장보다 훨씬 작은 주기를 갖는 LIPSS(HSFL)의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 고전적인 LSFL의 경우, 형성 메커니즘은 입사 레이저와 재료 표면에 여기된 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 사이의 간섭의 결과로 널리 받아들여집니다(전자기 이론). 전자기 이론은 LSFL의 주기와 방향을 설명하지만 정적 초기 에너지 증착만 설명하고 레이저- 유도 용융 상태에서 재료의 동적 진화를 설명하지 않습니다. 용융 상태의 물질 이동 과정은 표면 형태를 최고점과 최저점의 주기적인 조합으로 재구성합니다.
펨토초 레이저 가공은 처리 정밀도가 높고 열 영향을 받는 부분이 작기 때문에 마이크로{0}} 및 나노{1}} 가공 분야에서 고유한 장점을 갖고 있습니다.{2}} 매우 짧은 펄스 폭은 레이저 에너지를 매우 짧은 시간에 재료 표면에 집중시켜 비{4}}비열 평형 위상 전이를 생성합니다. 전자 열 전도성과 전자-포논 결합 강도는 초고속 공정 중 재료 내에 증착된 전자기 에너지의 전달 및 이완을 지배합니다. 이러한 요인은 다양한 재료에서 관찰되는 LIPSS 형태의 차이에 대한 근본적인 이유입니다. 그러나 LIPSS 형성은 누적 다중-펄스 프로세스이며 각 펄스에 의해 생성된 표면 형태가 다음 펄스의 초기 경계 조건으로 작용합니다. 더욱이, LIPSS의 규칙성은 재료 특성에 강한 의존성을 나타냅니다. 이전의 수치 시뮬레이션에서는 다중-, 다중{13}}물리 환경에서 후속 펄스에 대한 이전 펄스에 의해 생성된 표면 형태의 영향을 거의 고려하지 않았습니다. 다중-펄스 조건에서 재료 표면 형태의 변화는 온도 장 불균일성을 초래하고, 이는 결국 온도 구배에 의해 유도된 용융 유체의 재분배에 영향을 미칩니다. 이를 위해서는 펄스-별-펄스 관점에서 LIPSS 진화 과정을 정량적으로 분석하고 논의해야 합니다.
레이저 및 전자빔 가공
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시뮬레이션 방법
다중-펄스 펨토초 레이저 조사 하에서 LIPSS의 누적 진화와 관련된 포지티브 피드백 메커니즘을 연구하기 위해 시뮬레이션 워크플로는 단일 펄스의 레이저-물질 상호작용을 전자기장 계산, 열역학적 진화, 유체 역학의 세 가지 결합 단계로 분해한 다음 반복 시뮬레이션에서 반복합니다. 본 연구에서는 결정론적 표면에서 시작하는 진화 과정에 중점을 둡니다. 시뮬레이션은 레이저 매개변수와 재료 반응에 의해 생성된 절삭 구멍이 후속 전자기 결합을 위한 "유효 거칠기"로 간주되는 이상적이고 매끄러운 평면에서 시작됩니다. 이 모델에서 이 유효 거칠기는 무작위 초기 표면 거칠기와 관련된 불확실성을 제거하는 방법인 시뮬레이션된 표면 절제로 표현되며, 이를 통해 절제 가장자리와 표면 내에서 LIPSS가 어떻게 형성되고 전파되는지 연구할 수 있습니다.
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표면 형태 피드백
다중 펄스- 펨토초 레이저 조사에서 LIPSS의 형성은 단일 물리적 필드의 단순한 중첩이 아니라 이전 펄스의 표면 형태 영향이 후속 펄스의 영향과 상호 작용하는 동적 진화 프로세스입니다. 그림 2는 재료 표면 형태의 진화와 다중 펄스 하에서 전기장의 해당 공간 분포를 보여줍니다. 초기 펄스(N= 1)의 경우 매끄러운 재료 표면의 전계 분포는 측면으로 균일하며 주로 입사광과 반사광의 간섭으로 형성된 정재파 패턴을 나타냅니다. 펄스 수가 증가함에 따라(N=20, N=30) 처음에는 매끄러운 표면이 얕은 절제 구덩이로 발전합니다. 비평면 인터페이스는 평면의 대칭을 파괴하고 평면파 벡터 구성요소에 산란된 -제공하여 금속-공기 인터페이스에서 약한 SPP 여기를 초래합니다. 펄스 수가 더 증가하면(N= 40, N{14}}) 나타나는 주기적인 홈이 더 효과적인 회절 격자로 작용하여 SPP 결합이 더 강해집니다. N= 50의 확대 보기에서 볼 수 있듯이 SPP와 후속 입사광 사이의 간섭은 홈 내에 공간적 국부 전자기 핫스팟을 생성하며, 여기서 전기장 강도는 입사장 강도보다 상당히 높습니다.
그림 3은 다양한 펄스 수(N= 1-50)에서 재료 표면 형태의 진화와 해당 피크 격자 온도 분포를 보여줍니다. 초기 단계(N= 1-10)에서는 평평한 표면에 절제 피트가 형성됩니다. 이때, 표면온도는 측면으로 완만하게 분포하며 해당 온도 분포는 레이저 에너지의 가우스 분포를 반영하여 낮고 넓은 피크를 나타냅니다. 펄스 수가 증가함에 따라(N= 20-50), 주기적인 표면 구조의 출현과 일치하여 고대비의 주기적인 온도 분포가 점차적으로 나타납니다. 가장 높은 격자 온도는 이러한 주기적 구조의 계곡에 집중되어 있는 반면, 최고점의 온도는 상대적으로 낮게 유지됩니다. 온도 분포 플롯은 펄스 수가 증가함에 따라 이 온도 변조의 진폭이 더욱 뚜렷해지고 피크 온도가 점차 증가한다는 것을 보여줍니다. 이를 그림 2에 표시된 전기장 분포의 진화와 결합함으로써 다중 펄스 하의 격자 온도 분포를 전자기 열 피드백 메커니즘으로 설명할 수 있습니다. 계곡에 위치한 전자기 핫스팟은 공간적으로 비{13}}균일한 열원을 형성하여 궁극적으로 표면 형태에 해당하는 주기적인 격자 온도 장을 생성합니다.
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용융 단계의 유체 흐름
펨토초 레이저 펄스 에너지는 전자-포논 결합을 통해 격자로 전달됩니다. 격자 온도가 녹는점에 도달하면 일시적인 용융층이 재료 표면에 형성됩니다. 피코초 시간 규모에서 LIPSS의 후속 진화는 정적 절제뿐만 아니라 이 용융 층 내의 유체 역학적 전달에 의해 제어됩니다. 이 모델에서 주기성은 전자기 에너지 증착에 의해 미리 정의되는 반면, Marangoni 응력과 반동 압력은 주로 용융된 재료의 재분배와 제거를 주도합니다. 그림 4, 5, 6은 주기적 구조가 얕은 곳에서 깊은 곳으로 진화함에 따라 다중-펄스 공정(N=20-40)의 용융 단계 동안 유체 흐름 추세를 보여줍니다. 이 단계에서 격자 온도는 융점을 초과했지만 아직 기화 온도에는 도달하지 않았습니다. 이 세 그림에서 a1과 a2는 주기 구조의 최고점을 나타내고, a3과 a4는 최저점을 나타냅니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 주기적인 구조 형성(N=20)의 초기 단계에서는 표면에 주기적인 온도장이 형성되고 물결 모양의 구조가 나타나기 시작합니다. 온도가 가장 높은 계곡 지역(그림. 4(c))에서는 표면 장력 구배에 의해 구동되는 마랑고니 효과로 인해 용융된 표면 유체가 계곡 중심에서 인접한 봉우리까지 고속으로 흐르게 됩니다. 반대로, 온도가 가장 낮은 마루 지역(그림. 4(b))에서는 인접한 계곡의 유체가 수렴하여 위쪽으로 축적되는 것으로 관찰됩니다. 이들 영역을 비교하면 골에서 고속-발산 흐름과 마루에서 저속-수렴 흐름이 나타납니다. 그림. 4(b) 및 (c)의 유동장에서 볼 수 있듯이, 마루를 향한 표면 유체의 흐름은 용융 풀 내에서 더 깊은 역류를 일으키고, 최고점 아래에서 계곡으로 되돌아갑니다. 외부 표면 흐름과 내부 바닥 흐름 자체의 조합은-주기 구조의 각 마랑고니 소용돌이 내에서 한 쌍의 전형적인 마랑고니 소용돌이로 구성됩니다. 그림을 비교하면 그림. 4, 5 및 6에서 볼 수 있듯이 계곡이 깊어짐에 따라 표면 유체가 점차적으로 그 안에 갇히게 됩니다(그림. 4(c), 5(c) 및 6(c)). 계곡이 깊을수록 국부적인 전기장이 더 강해지며, 따라서 계곡에서 인접한 피크로의 측면 열 확산이 억제됩니다. 이로 인해 계곡 내에서 더 가파른 온도 구배가 유지됩니다. 따라서 유체 운동을 유도하는 힘은 온도에 따라 달라지므로 이러한 힘은 점점 더 계곡 내에 국한됩니다. 펄스 수를 늘리는 관점에서 이는 이미 형성된 피크를 제거하거나 새로운 구조를 구축하는 대신 후속 펄스의 에너지가 기존 홈을 깊게 하는 데 사용된다는 것을 의미합니다. 결과적으로, 봉우리와 골짜기 사이의 높이 차이가 지속적으로 증가하여 주기 구조가 점차 깊어집니다.
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시뮬레이션 검증
다중 펄스 조사 하에서 전자기 효과와 유체 흐름의 시너지 효과에 의해 구동되는 주기적인 표면 구조의 형성 과정을 설명하기 위해 선형 스캐닝 실험에서 관찰된 표면 형태 변화를 반복 다중물리 모델의 결과와 비교했습니다(그림 7 참조). 실험에서 펄스 축적의 초기 단계에서 재료 표면은 주로 절제-재증착 및 용융 유체 수송에 의해 생성된 무작위 나노입자로 덮여 있었습니다. 시뮬레이션에서 우리는 LIPSS 진화의 물리적으로 동등한 시작점, 즉 레이저- 유도 절제 구덩이를 사용했습니다. 무작위 나노입자와 절제 구덩이는 모두 후속 펄스에 대한 산란 경계 역할을 하여 SPP를 자극할 수 있습니다. 후속 펄스는 SPP 간섭을 통해 이 비{7}}평면 표면에 주기적인 온도 장을 설정하여 이 기간에 따라 용융된 재료의 재분배를 유도합니다. 그런 다음 마랑고니의 힘과 반동 압력이 용융된 유체의 재분배를 촉진하여 LIPSS의 형성을 촉진합니다.
시뮬레이션 결과를 더 잘 검증하기 위해 단일 지점 펨토초 레이저 조명 하의 LIPSS를{0}} 수치 시뮬레이션 결과와 비교했습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 두 가지 모두 공간 주기성에 있어 높은 수준의 일관성을 나타냅니다. 이 기간을 정량화하기 위해 LIPSS에 수직인 방향을 따라 SEM 이미지의 로컬 그레이스케일 윤곽을 추출하여 실험 구조에 대해 약 980 nm의 평균 기간을 생성했습니다. 그림 8(b)는 동일한 공간 규모에서 시뮬레이션된 단면 윤곽을 보여줍니다. 시뮬레이션된 표면 윤곽을 동일한 좌표와 규모로 SEM 이미지에 매핑함으로써 시뮬레이션된 피크와 밸리의 공간적 위치가 SEM 이미지의 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬와 밀접하게 일치하는 것으로 관찰되었습니다. 시뮬레이션된 주기는 약 960 nm이며 이는 윤곽 방법을 사용하여 측정된 실험 결과와 매우 잘 일치합니다.
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결론
본 연구에서는 수치해석을 통해 전자기론, 유체역학 이론, 물질의 열물리적 특성을 기반으로 다중물리 모델을 구축하였다. 이는 다중-펄스 펨토초 레이저 처리에서 전자기 효과와 유체 흐름 불안정성의 시너지 효과에 의해 구동되는 금속 표면의 주기적인 구조 형성을 처음부터 끝까지 설명했습니다. 재료 표면에 대한 시뮬레이션의 연속적인 펄스 반복과 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 비교 분석을 통해 LIPSS의 형성은 전자기 및 유체 역학의 시너지 효과의 결과라는 결론을 내렸습니다.
표면 거칠기가 있는 상태에서 입사 펨토초 레이저와 재료 표면 사이의 상호 작용은 입사광을 방해하는 SPP를 자극합니다. 이 프로세스는 재료 표면에 공간적으로 주기적이고 불균일한 에너지 증착을 생성합니다.- 우리는 이 필요한 표면 거칠기가 레이저 자체로 인한 절제 구덩이일 수 있으며 이는 여기 SPP의 경계 조건이 될 수 있음을 확인했습니다. 이전 펄스에 의해 형성된 표면 형태는 후속 펄스에 대한 회절 격자 역할을 하여 SPP 결합 효율을 향상시킵니다. 이 주기적인 에너지가 재료에 흡수되면 해당 격자 온도 구배 장으로 빠르게 변환되어 표면에 일시적인 용융 층을 형성합니다. 주기적인 온도 구배의 영향을 받는 이 극도로 얇은 용융층은 물리적으로 매우 불안정하므로 물질 이동을 제어하는 유체 수송을 활성화합니다. 용융 단계에서 표면 장력에 의해 구동되는 마랑고니 힘은 용융된 유체를 고온-온도 골에서 저온-온도 마루로 이동시켜 골에서 고속-발산 흐름과 마루에서 저속-수렴 흐름을 형성합니다. 펄스 수가 증가함에 따라 골은 점차 깊어지고 표면 유체는 점차 골에 국한됩니다. 기화 단계에서 격자 온도의 추가 증가는 반동 압력의 추가 증가를 동반합니다. 이 시점에서 반동 압력은 유체를 구동하는 주요 메커니즘으로 작용하여 더 강한 힘을 사용하여 유체를 골 표면에서 지하 표면으로 이동시키는 동시에 유체를 측면으로 봉우리로 이동시킵니다.
