Tim peneliti gabungan yang dipimpin oleh Profesor Zhang Peilei dari Shanghai University of Engineering Science, Lancaster University, dan Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. menerbitkan makalah penelitian berjudul "Electromagnetic-hydrodynamic copling and morphology feedback in the formasi dan evolusi LIPSS pada logam di bawah femtosecond laser multi-pulse irradiation" di jurnal internasional Applied Mathematical Modelling. Tim ini membuat model multifisika yang menggabungkan teori elektromagnetik, termofisika transien, dan hidrodinamika, dan menggunakan strategi iteratif pulsa-demi-pulsa untuk mempelajari proses evolusi struktur permukaan periodik yang diinduksi laser-(LIPSS) pada permukaan paduan titanium. Menggabungkan verifikasi eksperimental dan simulasi numerik, tim mengungkapkan mekanisme fisik pembentukan dan evolusi struktur nano di bawah efek sinergis aliran Marangoni dan tekanan mundur di bawah mekanisme umpan balik morfologi.
01
Perkenalan
Struktur permukaan periodik yang diinduksi laser-(LIPSS) adalah fenomena fisik yang dapat menghasilkan struktur periodik pada permukaan berbagai bahan (logam, semikonduktor, dll.) dan telah dipelajari secara ekstensif. LIPSS secara umum diklasifikasikan menjadi dua jenis: LIPSS dengan periode yang mendekati panjang gelombang laser (LSFL) dan LIPSS dengan periode yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang laser (HSFL). Untuk LSFL klasik, mekanisme pembentukan diterima secara luas sebagai hasil interferensi antara laser yang datang dan polariton plasmon permukaan (SPP) yang tereksitasi pada permukaan material (teori elektromagnetik). Meskipun teori elektromagnetik menjelaskan periode dan arah LSFL, teori ini hanya menjelaskan deposisi energi awal statis dan tidak menjelaskan evolusi dinamis material dalam keadaan cair yang diinduksi laser. Proses migrasi materi dalam keadaan cair membentuk kembali morfologi permukaan menjadi kombinasi puncak dan lembah secara periodik.
Pemrosesan laser Femtosecond memiliki keunggulan unik di bidang fabrikasi mikro- dan nano-karena presisi pemrosesan yang tinggi dan zona yang terkena dampak panas-kecil. Lebar pulsa ultrapendeknya memusatkan energi laser pada permukaan material dalam waktu yang sangat singkat, menghasilkan transisi fase kesetimbangan non-termal. Konduktivitas termal elektron dan kekuatan kopling elektron-fonon mendominasi transmisi dan relaksasi energi elektromagnetik yang disimpan dalam material selama proses ultracepat. Faktor-faktor inilah yang menjadi alasan mendasar perbedaan morfologi LIPSS yang diamati pada berbagai material. Namun, pembentukan LIPSS adalah proses multi-pulsa kumulatif, dengan morfologi permukaan yang dihasilkan oleh setiap pulsa bertindak sebagai kondisi batas awal untuk pulsa berikutnya. Selain itu, keteraturan LIPSS menunjukkan ketergantungan yang kuat pada sifat material. Simulasi numerik sebelumnya jarang mempertimbangkan pengaruh morfologi permukaan yang dihasilkan oleh pulsa sebelumnya pada pulsa berikutnya dalam lingkungan fisika multi-pulsa, multi-. Perubahan morfologi permukaan material dalam kondisi multi-pulsa menyebabkan ketidakhomogenan medan suhu, yang selanjutnya memengaruhi redistribusi cairan cair yang disebabkan oleh gradien suhu. Hal ini memerlukan analisis kuantitatif dan diskusi tentang proses evolusi LIPSS dari perspektif pulsa-demi-pulsa.
Pemrosesan Sinar Laser & Elektron
02
Metode Simulasi
Untuk mempelajari evolusi kumulatif LIPSS di bawah iradiasi laser multi-pulsa femtodetik dan mekanisme umpan balik positif yang terkait, alur kerja simulasi menguraikan interaksi materi laser dari satu pulsa menjadi tiga langkah yang digabungkan: penghitungan medan elektromagnetik, evolusi termodinamika, dan dinamika fluida, yang kemudian diulangi dalam simulasi berulang. Dalam studi ini, kami fokus pada proses evolusi yang dimulai dari permukaan deterministik. Simulasi dimulai dengan bidang yang ideal dan mulus, di mana lubang ablasi yang dihasilkan oleh parameter laser dan respons material dianggap sebagai "kekasaran efektif" untuk penggandengan elektromagnetik berikutnya. Dalam model ini, kekasaran efektif ini diwakili oleh simulasi ablasi permukaan, sebuah metode yang menghilangkan ketidakpastian yang terkait dengan kekasaran permukaan awal yang acak, memungkinkan kita mempelajari bagaimana LIPSS terbentuk dan menyebar di tepi ablasi dan di dalam permukaan.
03
Umpan Balik Morfologi Permukaan
Di bawah iradiasi laser femtodetik multi-pulsa, pembentukan LIPSS bukanlah superposisi sederhana dari satu bidang fisik, namun merupakan proses evolusi dinamis di mana pengaruh morfologi permukaan dari pulsa sebelumnya berinteraksi dengan pulsa berikutnya. Gambar 2 menunjukkan evolusi morfologi permukaan material dan distribusi spasial medan listrik yang sesuai di bawah banyak pulsa. Untuk pulsa awal (N=1), distribusi medan listrik pada permukaan material halus seragam secara lateral, terutama menunjukkan pola gelombang berdiri yang dibentuk oleh interferensi cahaya datang dan cahaya pantulan. Ketika jumlah pulsa meningkat (N=20, N=30), permukaan yang awalnya halus berkembang menjadi lubang ablasi yang dangkal. Antarmuka non-planar merusak simetri bidang dan menghasilkan komponen vektor gelombang-bidang yang tersebar, yang menyebabkan eksitasi SPP lemah pada antarmuka-udara logam. Ketika jumlah pulsa semakin meningkat (N=40, N=50), alur periodik yang muncul bertindak sebagai kisi difraksi yang lebih efektif, sehingga menghasilkan kopling SPP yang lebih kuat. Seperti yang ditunjukkan dalam tampilan yang diperbesar di N=50, interferensi antara SPP dan cahaya datang berikutnya menghasilkan hotspot elektromagnetik lokal spasial di dalam alur, di mana intensitas medan listrik jauh lebih tinggi daripada intensitas medan datang.
Gambar 3 mengilustrasikan evolusi morfologi permukaan material dan distribusi suhu kisi puncak yang sesuai pada jumlah pulsa yang berbeda (N=1-50). Pada tahap awal (N=1-10), lubang ablasi terbentuk pada permukaan datar. Pada saat ini, suhu permukaan terdistribusi dengan lancar secara lateral, dan distribusi suhu yang sesuai menunjukkan puncak yang rendah dan lebar, mencerminkan distribusi energi laser Gaussian. Ketika jumlah pulsa meningkat (N=20-50), distribusi suhu periodik kontras tinggi secara bertahap muncul, konsisten dengan munculnya struktur permukaan periodik. Suhu kisi tertinggi terkonsentrasi di lembah struktur periodik ini, sedangkan suhu di puncaknya relatif rendah. Plot distribusi suhu menunjukkan bahwa dengan meningkatnya jumlah pulsa, amplitudo modulasi suhu ini menjadi lebih jelas, dan suhu puncak meningkat secara bertahap. Dengan menggabungkan hal ini dengan evolusi distribusi medan listrik yang ditunjukkan pada Gambar 2, distribusi suhu kisi dalam beberapa pulsa dapat dijelaskan dengan mekanisme umpan balik termal elektromagnetik. Titik panas elektromagnetik yang terletak di lembah membentuk sumber panas yang tidak seragam secara spasial, yang pada akhirnya menghasilkan bidang suhu kisi periodik yang sesuai dengan morfologi permukaan.
04
Aliran Cairan Selama Tahap Peleburan
Energi pulsa laser femtodetik ditransfer ke kisi melalui kopling elektron-fonon. Setelah suhu kisi mencapai titik leleh, lapisan cair sementara terbentuk pada permukaan material. Evolusi LIPSS selanjutnya dalam skala waktu pikodetik dikendalikan tidak hanya oleh ablasi statis tetapi juga oleh transpor hidrodinamik dalam lapisan cair ini. Dalam model ini, periodisitas ditentukan sebelumnya oleh pengendapan energi elektromagnetik, sedangkan tegangan Marangoni dan tekanan balik terutama mendorong redistribusi dan pembuangan material cair. Gambar 4, 5, dan 6 menunjukkan tren aliran fluida selama tahap peleburan proses multi-pulsa (N=20-40) seiring dengan evolusi struktur periodik dari dangkal ke dalam. Pada tahap ini suhu kisi telah melampaui titik leleh tetapi belum mencapai suhu penguapan. Dalam ketiga gambar ini, a1 dan a2 mewakili puncak struktur periodik, sedangkan a3 dan a4 mewakili palung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, pada tahap awal pembentukan struktur periodik (N=20), medan suhu periodik telah terbentuk di permukaan, dan struktur bergelombang mulai muncul. Di wilayah lembah dengan suhu tertinggi (Gambar. 4(c)), didorong oleh gradien tegangan permukaan, efek Marangoni menyebabkan cairan permukaan cair mengalir dengan kecepatan tinggi dari pusat lembah ke puncak yang berdekatan. Sebaliknya, di daerah puncak dengan suhu terendah (Gambar. 4(b)), fluida dari lembah yang berdekatan diamati berkumpul dan terakumulasi ke atas. Perbandingan wilayah ini menunjukkan aliran divergen berkecepatan tinggi di palung dan aliran konvergen berkecepatan rendah di puncak. Seperti yang ditunjukkan pada bidang aliran pada Gambar. 4(b) dan (c), aliran fluida permukaan menuju puncak menyebabkan aliran balik yang lebih dalam di dalam kolam cair, kembali dari bawah puncak ke lembah. Kombinasi aliran permukaan luar dan aliran bawah ke dalam ini-terorganisir menjadi sepasang vortisitas Marangoni yang khas dalam setiap puncak dan lembah struktur periodik. Dengan membandingkan gambar-gambar tersebut, dapat dilihat dari Gambar. 4, 5, dan 6 bahwa ketika lembah semakin dalam, fluida permukaan secara bertahap terkurung di dalamnya (Gambar. 4(c), 5(c), dan 6(c)). Lembah yang lebih dalam berhubungan dengan medan listrik lokal yang lebih kuat, sehingga menekan difusi termal lateral dari lembah ke puncak yang berdekatan. Hal ini mengakibatkan gradien suhu yang lebih curam dipertahankan di dalam lembah. Oleh karena itu, karena gaya-gaya yang mendorong pergerakan fluida bergantung pada suhu, gaya-gaya ini menjadi semakin terbatas di dalam lembah. Dari perspektif peningkatan jumlah pulsa, ini berarti bahwa energi pulsa berikutnya digunakan untuk memperdalam alur yang sudah ada, dibandingkan mengikis puncak yang sudah terbentuk atau membangun struktur baru. Akibatnya, perbedaan ketinggian antara puncak dan lembah terus meningkat, menyebabkan pendalaman struktur periodik secara bertahap.
05
Verifikasi Simulasi
Untuk mengilustrasikan proses pembentukan struktur permukaan periodik yang didorong oleh efek sinergis dari efek elektromagnetik dan aliran fluida di bawah iradiasi multi-pulsa, evolusi morfologi permukaan yang diamati dalam eksperimen pemindaian linier dibandingkan dengan hasil model multifisika berulang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Pada tahap awal akumulasi pulsa dalam percobaan, permukaan material sebagian besar ditutupi oleh nanopartikel acak yang dihasilkan oleh redeposisi-ablasi dan transpor cairan cair. Dalam simulasi, kami menggunakan titik awal evolusi LIPSS yang setara secara fisik, yaitu lubang ablasi yang diinduksi laser-. Nanopartikel acak dan lubang ablasi dapat berfungsi sebagai batas hamburan untuk pulsa berikutnya, sehingga menarik SPP. Pulsa berikutnya membentuk bidang suhu periodik pada permukaan non-planar ini melalui interferensi SPP, sehingga mendorong redistribusi material cair sepanjang periode ini. Kemudian, gaya Marangoni dan tekanan mundur mulai mendorong redistribusi cairan cair, sehingga mendorong pembentukan LIPSS.
Untuk memvalidasi hasil simulasi dengan lebih baik, LIPSS dengan pencahayaan laser femtodetik titik tunggal dibandingkan dengan hasil simulasi numerik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, keduanya menunjukkan tingkat konsistensi yang tinggi dalam periodisitas spasial. Untuk mengukur periode ini, kontur skala abu-abu lokal dari gambar SEM diekstraksi sepanjang arah tegak lurus terhadap LIPSS, menghasilkan periode rata-rata sekitar 980 nm untuk struktur eksperimental. Gambar 8(b) menunjukkan kontur penampang lintang yang disimulasikan pada skala spasial yang sama. Dengan memetakan kontur permukaan yang disimulasikan ke dalam gambar SEM pada koordinat dan skala yang sama, diamati bahwa posisi spasial puncak dan lembah yang disimulasikan sangat sesuai dengan garis terang dan gelap pada gambar SEM. Periode simulasi adalah sekitar 960 nm, yang sangat sesuai dengan hasil eksperimen yang diukur menggunakan metode kontur.
06
Kesimpulan
Penelitian ini membangun model multifisika berdasarkan teori elektromagnetik, teori dinamika fluida, dan sifat termofisika material melalui simulasi numerik. Hal ini menjelaskan dari awal hingga akhir pembentukan struktur periodik pada permukaan logam yang didorong oleh efek sinergis dari efek elektromagnetik dan ketidakstabilan aliran fluida di bawah perawatan laser multi-pulsa femtodetik. Melalui simulasi iterasi pulsa berturut-turut pada permukaan material dan analisis komparatif hasil simulasi dengan hasil eksperimen, kami menyimpulkan bahwa pembentukan LIPSS merupakan hasil efek sinergis elektromagnetik dan dinamika fluida.
Interaksi antara laser femtosecond yang terjadi dan permukaan material, dengan adanya kekasaran permukaan, merangsang SPP yang mengganggu cahaya yang datang. Proses ini menghasilkan deposisi energi yang periodik secara spasial dan tidak seragam pada permukaan material. Kami memastikan bahwa kekasaran permukaan yang diperlukan ini dapat berupa lubang ablasi yang disebabkan oleh laser itu sendiri, yang dapat berfungsi sebagai kondisi batas untuk menarik SPP. Morfologi permukaan yang dibentuk oleh pulsa sebelumnya bertindak sebagai kisi difraksi untuk pulsa berikutnya, sehingga meningkatkan efisiensi kopling SPP. Setelah energi periodik ini diserap oleh material, energi tersebut dengan cepat berubah menjadi medan gradien suhu kisi yang sesuai, membentuk lapisan cair sementara di permukaan. Lapisan cair yang sangat tipis ini, dipengaruhi oleh gradien suhu periodik, secara fisik sangat tidak stabil, sehingga mengaktifkan transpor fluida yang mengontrol migrasi material. Selama tahap peleburan, gaya Marangoni, yang didorong oleh tegangan permukaan, memindahkan fluida cair dari-palung bersuhu tinggi ke puncak bersuhu-rendah, sehingga membentuk aliran divergen-berkecepatan tinggi di dalam palung dan aliran konvergen-berkecepatan rendah di puncak. Ketika jumlah pulsa meningkat, palung secara bertahap semakin dalam, dan fluida permukaan secara bertahap terbatas pada palung. Selama tahap penguapan, peningkatan suhu kisi selanjutnya disertai dengan peningkatan tekanan balik. Pada titik ini, tekanan mundur bertindak sebagai mekanisme dominan yang menggerakkan fluida, menggunakan gaya yang lebih kuat untuk mendorong fluida dari permukaan bak ke bawah permukaan, sekaligus menggeser fluida ke puncak secara lateral.
