Zastosowania przetwarzania zakłóceń laserowych (3)

Efekty fazowo-mikrostrukturalne podczas strukturyzacji filmów

Oprócz okresowych fizycznych zmian topograficznych, interakcja wzoru interferencji lasera z materiałem często skutkuje efektami metalurgicznymi, takimi jak przemiana fazowa, rekrystalizacja, międzymetalicznareakcje itp. W ten sposób można osiągnąć okresową modulację mikrostruktury metalurgicznej (i zależnych właściwości fizykomechanicznych) (Daniel i Dahotre 2006). Poprzez połączenie

Rys. 11.19 (a) Zmiana obliczonej frakcji stopionego materiału (Al i Ni) w różnych warstwach z fluencją laserową, (b) obliczony przekrój poprzeczny folii wielowarstwowej reprezentujący frakcje stopionego materiału (Al i Ni) w różnych warstwach(fluencja lasera 300 mJ / cm2), (c) mikrografia TEM pokazująca poszczególne warstwy Al i Ni po napromieniowaniu wzorem interferencji laserowej. (Przedruk z Daniel et al. 2004. Za zgodą. Copyright Elsevier.)

właściwości nienaruszonego obszaru i obszaru napromieniowanego interferencją laserową, można uzyskać powierzchniową kompozytową folię.

Sivakov i in. (2005) badali indukowane interferencją laserową okresowe przemiany fazowe w filmach z tlenku żelaza z powodu pary chemicznej osadzonej na podłożach krzemowych. Okresowe przemiany fazowe od hematytu do magnetytu imagnetyt do wustytu opisano na podstawie szczegółowej analizy dyfrakcji rentgenowskiej przed i po napromieniowaniu laserem.

Zaproponowano, że transformacyjne fazy transformacyjne od hematytu do magnetytu i magnetytu do hematytu w obszarach o wysokiej energii są indukowane przestrzennie ograniczoną gęstością plazmy. Powstaje interakcja lasera z filmemw generowaniu smugi plazmy, która zapobiega oddziaływaniu tlenu z

Rys. 11.20 Dyfraktogramy rentgenowskie błony hematytowej (a) przed i (b) po napromieniowaniu laserem. H i M odpowiadają odpowiednio hematytowi (Fe2O3) i magnetytowi (Fe3O4). (Przedruk z Sivakov et al. 2005. Withpozwolenie. Copyright Elsevier.)

Folia CVD, a tym samym ułatwia przekształcenia redukcyjne. Energia dla takich okresowych transformacji jest dostarczana przez modulowane rozkłady intensywności we wzorze interferencji padającej. Rysunek 11.20 przedstawia dyfrakcję promieniowania rentgenowskiegowzory folii hematytowej CVD przed i po napromieniowaniu laserem. Jak wskazano na rysunku, pik magnetytu pojawia się w próbkach ustrukturowanych filmów hematytowych po interakcji ze wzorem interferencji laserowej.

Tworzenie okresowych domen magnetycznych i niemagnetycznych w filmach z tlenku żelaza przez przetwarzanie zakłóceń laserowych oferuje kilka zastosowań (Sivakov i in. 2005).

Napromieniowanie wzorca interferencji lasera może również zainicjować okresowe tworzenie związków międzymetalicznych w jednorodnej matrycy, a tym samym realizować powierzchnie kompozytowe o wysokiej wytrzymałości międzymetalicznej i ciągliwościmateriał matrycowy. Wykazano to w przypadku folii Ni – Al osadzonych na płytkach Si. Folie Ni-Al (o grubości 900 nm) o stosunku stechiometrycznym 3: 1 osadzonym przez rozpylanie magnetronowe zostały zmodyfikowane przez wzory interferencji laserowej.

Opierając się na dyfrakcji rentgenowskiej, stwierdzono, że intermetaliczny Ni Al powstaje w obszarach oddziaływania lasera z filmem. Ponadto badania nanoindentacji wykazały, że powstają okresowe fazy międzymetalicznezwiązane z okresową modulacją właściwości mechanicznych. Twardość wgłębienia w zakresie 10 GPa obserwuje się w obszarze zmodyfikowanym laserem (gdzie zachodzi reakcja międzymetaliczna) w porównaniu ze średnią twardością 4 GPa wobszary nieleczone (ryc. 11.21) (Liu i in. 2003).

Rys. 11.21 (a) Profil powierzchni AFM, (b) obraz nanoindentacji w obszarze poddanym obróbce laserowej oraz (c) rozkład twardości w jednym okresie interferencji w folii Ni-Al 900 nm napromieniowanej wzorem interferencji laserowej. (Przedruk zLiu i in. 2003. Za zgodą. Copyright Elsevier.)

Strukturyzacja Biomateriałów

Niedawno przetwarzanie interferencji laserowej do modyfikacji powierzchni biomateriałów przyciąga znaczące zainteresowania badawcze. Zasugerowano, że chemia i topografia biomateriałów mogą być korzystnie modyfikowane przeznaświetlanie za pomocą wzorca interferencji lasera w celu zwiększenia interakcji między komórką a powierzchnią, a co za tym idzie, mocowania, rozprzestrzeniania się i orientacji komórek na powierzchni. Techniki interferencyjne do modyfikacji powierzchni biomateriałówopierają się na selektywnej ablacji materiału przy maksimach interferencji, co skutkuje mikrowzorem składającym się z dobrze określonych grzbietów i rowków. Oczekuje się, że takie mikrowzory będą kierować wzrostem komórek w określonych kierunkach(wskazówki kontaktowe). Istotną zaletą tej techniki w porównaniu z losowym wzorcem jest to, że mikrowzory na powierzchni biomateriałów mogą być skutecznie kontrolowane do pożądanych wymiarów (okresowość, wysokość,i szerokość linii lub kropek) poprzez sterowanie parametrami obróbki laserowej. Ponadto można skutecznie modyfikować różne biomateriały, takie jak metal, ceramika i polimery (Li i in. 2003).

Większość prac ostatnio zgłoszonych na temat badań nad wzorcami interferencji biomateriałów jest ograniczona do kilku biopolimerów. Ważne parametry powierzchni z interferencją laserową, na które oczekuje się wpływuadhezja komórek, wzrost i orientacja to kąt zwilżania, wymiar okresu, morfologia (linie lub kropki). Rysunek 11.22 przedstawia wpływ fluencji lasera na głębokość mikrowzoru i kąt zwilżania w grubości 100umfolia poliwęglanowa napromieniowana laserowym wzorem interferencyjnym. Jak pokazano na rysunku, głębokość mikrostruktury zwiększa się, a kąt zwilżania zmniejsza się wraz z fluencji lasera. Zatem topografia i właściwości zwilżającemogą być modyfikowane przez modelowanie interferencji laserowej w celu promowania adhezji komórek (Yu et al. 2005a, b).

Mimo że obszerne badania dotyczą charakterystyki struktur interferencyjnych uzyskiwanych w różnych materiałach, odnotowano bardzo niewiele badań dotyczących interakcji komórek ze zmodyfikowanymi laserowo powierzchniami. Rysunek 11.23prezentuje wyniki jednego z badań nad reakcjami komórek HPF (fibroblastów płucnych) na struktury linii i struktur punktowych uzyskanych na powierzchni folii poliwęglanowych (PC) za pomocą dwu lub więcej wiązek laserowych. Thekomórki hodowane na powierzchniach strukturalnych były w większości wrzecionowate i dwubiegunowe. Ponadto, jak wskazano na zdjęciach świetlnych, komórki hodowane na wzorach linii wykazują kierunkowy wzrost równoległy do ​​linii, podczas gdy komórki hodowane na liniachwzorce punktowe wykazywały głównie orientacje losowe (Yu i in. 2005a).

Podsumowując, przetwarzanie zakłóceń laserowych zaawansowanych materiałów metalicznych, polimerowych i ceramicznych oferuje ogromny potencjał do zastosowania w aplikacjach, w których pożądana jest okresowa modulacja właściwości i topografii. Technologiajest wciąż stosunkowo nowy i przedstawia różne kierunki badań. Do tej pory większość badań dotyczyła charakterystyki okresowych wzorów w różnych systemach oraz parametrycznego wpływu parametrów lasera na morfologięi topografia struktur interferencyjnych generowanych na powierzchniach materiału. Modulacja intensywności energii we wzorze interferencyjnym powoduje złożoność efektów termicznych, takich jak niejednorodna temperaturarozkłady, gradienty temperatury, szybkości chłodzenia i naprężenia termiczne. Te efekty termiczne mają silny wpływ na przepływ płynu, krzepnięcie, rozwój mikrostruktury, naprężenia termiczne itp. Połączenie modelowania ibadania eksperymentalne nad interakcją lasera z materiałem podczas przetwarzania zakłóceń dostarczą dalszych informacji na temat postępu procesu w powstających aplikacjach.

Rys. 11.22 Wpływ fluencji lasera na (a) mikrowzór głębokości linii (okres 5um) i (b) kąt zwilżania po napromieniowaniu laserem za pomocą lasera Nd: YAG o przełączaniu Q o długości fali 266 nm. (Przedruk z Yu i in. 2005a. Zpozwolenie. Copyright American Chemical Society.)

Referencje 475

Rys. 11.23 Fotografie świetlne pokazujące komórki HPF hodowane na foliach PC o strukturze interferencji laserowej: (a) wzór linii o okresie 3um, (b) wzór linii o okresie 9um, (c) wzór punktowy o okresie 5um, oraz (d) punktwzór z okresem 7um. Wszystkie substraty zostały pokryte kolagenem. (Przedruk z Yu i in. 2005a. Za zgodą. Copyright American Chemical Society.)