Toepassingen van laserinterferentieverwerking (3)

Fase-microstructuur effecten tijdens het structureren van films

Naast de periodieke fysieke topografische veranderingen, resulteert de interactie van het laserinterferentiepatroon met het materiaal vaak in de metallurgische effecten zoals fasetransformatie, herkristallisatie, intermetallischereacties, enz. Aldus kan periodieke modulatie van metallurgische microstructuur (en afhankelijke fysico-mechanische eigenschappen) worden bereikt (Daniel en Dahotre 2006). Door te combineren

Fig. 11.19 (a) Variatie van de berekende fractie van gesmolten materiaal (Al en Ni) in verschillende lagen met laserfluentie, (b) berekende doorsnede van meerlagige film die fracties gesmolten materiaal (Al en Ni) in verschillende lagen vertegenwoordigt(laserfluentie van 300 mJ / cm2), (c) TEM-microfoto met individuele Al- en Ni-lagen na bestraling met laserinterferentiepatroon. (Overgenomen van Daniel et al. 2004. Met toestemming.) Copyright Elsevier.)

de eigenschappen van het niet-beïnvloede gebied en het met laserinterferentie bestraalde gebied, de oppervlaktecomposietfilm kunnen worden gerealiseerd.

Sivakov et al. (2005) bestudeerde de laserinterferentie geïnduceerde periodieke fasetransformaties in ijzeroxidefilms als gevolg van chemische damp afgezet op siliciumsubstraten. De periodieke fasetransformaties van hematiet tot magnetiet enmagnetiet tot wustiet is gerapporteerd op basis van gedetailleerde röntgendiffractie-analyse voor en na laserinterferentiebestraling.

Er werd voorgesteld dat reductiefase-transformaties van hematiet naar magnetiet en magnetiet naar hematiet in de gebieden met hoge energie worden geïnduceerd door ruimtelijk beperkte plasmadichtheid. De interactie van de laser met de film resulteertbij het genereren van de plasmapluim die de interactie van zuurstof met het plasma voorkomt

Fig. 11.20 Röntgendiffractiepatronen van hematietfolie (a) voor en (b) na laserinterferentiebestraling. H en M komen respectievelijk overeen met hematiet (Fe2O3) en magnetiet (Fe304). (Overgenomen uit Sivakov et al. 2005. Mettoestemming. Copyright Elsevier.)

CVD-film en vergemakkelijkt dus reductietransformaties. De energie voor dergelijke periodieke transformaties wordt geleverd door de gemoduleerde intensiteitsverdelingen in het invallende interferentiepatroon. Figuur 11.20 presenteert de röntgendiffractiepatronen van de CVD-hematietfilm voor en na laserinterferentiebestraling. Zoals aangegeven in de figuur, verschijnt de magnetietpiek in de monsters van gestructureerde hematietfilms na interactie met laserinterferentiepatroon.

De vorming van periodieke magnetische en niet-magnetische domeinen in de ijzeroxidefilms door laserinterferentieverwerking biedt verschillende toepassingen (Sivakov et al. 2005).

Bestraling van het laserinterferentiepatroon kan ook de periodieke vorming van intermetallische verbindingen in de homogene matrix initiëren en aldus de samengestelde oppervlakken realiseren met een hoge intermetallische sterkte en ductiliteit vanmatrixmateriaal. Dit wordt aangetoond voor het geval van Ni-Al-films die zijn afgezet op Si-wafels. Ni-Al-films (900 nm dik) met stoichiometrische verhouding van 3: 1 afgezet door magnetronsputteren werden gemodificeerd door laserinterferentiepatronen.

Op basis van röntgendiffractie werd gerapporteerd dat Ni Al intermetallisch wordt gevormd in de gebieden van laserinteractie met de film. Bovendien gaven nano-indentiestudies aan dat de vorming van periodieke intermetallische fasen isgeassocieerd met periodieke modulatie van mechanische eigenschappen. De indentatiehardheid in het bereik van 10 GPa wordt waargenomen in het met een laser gemodificeerde gebied (waar intermetallische reactie plaatsvindt) vergeleken met de gemiddelde hardheid van 4 GPa in deonbehandelde gebieden (Fig. 11.21) (Liu et al. 2003).

Fig. 11.21 (a) AFM-oppervlakteprofiel, (b) afbeelding van nano-indentaties in een met laser behandeld gebied en (c) hardheidsverdeling over één interferentieperiode in een Ni-Al-film van 900 nm bestraald met laserinterferentiepatroon. (Overgenomen vanLiu et al. 2003. Met toestemming. Copyright Elsevier.)

Structurering van biomaterialen

Onlangs heeft laserinterferentiebewerking voor het modificeren van oppervlakken van biomaterialen significante onderzoeksinteresses getrokken. Er werd gesuggereerd dat de chemie en topografie van de biomaterialen gunstig kunnen worden gemodificeerd doorbestraling met laserinterferentiepatroon voor verbeterde interactie van het celoppervlak en bijgevolg bevestiging, spreiding en oriëntatie van de cellen op het oppervlak. De interferentietechnieken voor het modificeren van de oppervlakken van biomaterialenzijn gebaseerd op de selectieve ablatie van het materiaal bij de interferentiemaxima resulterend in micropatronen bestaande uit goed gedefinieerde richels en groeven. Van dergelijke micropatronen wordt verwacht dat ze de celgroei in specifieke richtingen sturen(contactbegeleiding). Het significante voordeel van deze techniek vergeleken met de willekeurige patroonvorming is dat de micropatronen op het oppervlak van biomaterialen efficiënt kunnen worden bestuurd tot de gewenste afmetingen (periodiciteit, hoogte,en breedte van lijnen of punten) door de laserbewerkingsparameters te regelen. Ook kan een verscheidenheid aan biomaterialen zoals metaal, keramiek en polymeren effectief worden gemodificeerd (Li et al. 2003).

Het merendeel van het recent gerapporteerde onderzoek naar interferentiepatronen van biomaterialen is beperkt tot enkele biopolymeren. De belangrijke parameters van de oppervlakken met laserinterferentiepatronen waarvan wordt verwacht dat ze de invloed hebbende celadhesie, groei en oriëntatie zijn de contacthoek, periodeafmeting, morfologie (lijnen of punten). Figuur 11.22 presenteert de invloed van laserfluentie op de diepte van micropatroon en de contacthoek in 100um dikpolycarbonaatfilm bestraald met laserinterferentiepatroon. Zoals aangegeven in de afbeelding, neemt de diepte van het micropatroon toe en neemt de contacthoek af met de laserfluentie. Dus de topografie en de bevochtigingseigenschappenkan worden gemodificeerd door laserinterferentiepatronen om de celhechting te bevorderen (Yu et al. 2005a, b).

Hoewel uitgebreide studies worden gerapporteerd over de karakterisering van de interferentiestructuren die in verschillende materialen zijn verkregen, zijn er zeer weinig studies gerapporteerd over de interactie van cellen met laser-gemodificeerde oppervlakken. Figuur 11.23presenteert de resultaten van een van de studies over de respons van HPF (menselijke pulmonaire fibroblast) cel op lijnstructuren en puntstructuren verkregen op het oppervlak van polycarbonaat (PC) films door laserstralen met twee of meer bundels. Decellen gekweekt op de gestructureerde oppervlakken waren meestal spindelachtig en bipolair. Ook, zoals aangegeven in de lichtfoto's, vertonen de cellen gekweekt op de lijnpatronen een directionele groei parallel aan lijnen, terwijl de cellen gekweekt opde puntpatronen toonden meestal willekeurige oriëntaties (Yu et al. 2005a).

Samenvattend biedt de laserinterferentieverwerking van geavanceerde metaalachtige, polymere en keramische materialen een enorm potentieel om te worden gebruikt in toepassingen waar periodieke modulatie van eigenschappen en topografie gewenst is. De technologieis nog relatief nieuw en presenteert verschillende richtingen voor onderzoek. Tot nu toe hadden de meeste studies betrekking op de karakterisering van periodieke patronen in verschillende systemen en de parametrische invloed van laserparameters op de morfologie.en topografie van de interferentiestructuren gegenereerd op de materiële oppervlakken. De modulatie van energie-intensiteit in het interferentiepatroon geeft aanleiding tot complexiteit van thermische effecten, zoals inhomogene temperatuurverdelingen, temperatuurgradiënten, koelsnelheden en thermische spanningen. Deze thermische effecten hebben een sterke invloed op de vloeistofstroom, stolling, microstructuurontwikkeling, thermische spanningen, enz. Een combinatie van modellering enExperimentele studies over de interactie tussen laser en materiaal tijdens interferentieprocessen zullen verdere inzichten verschaffen voor de vooruitgang van het proces in de nieuwe toepassingen.

Fig. 11.22 Effect van laserfluentie op (a) diepte van lijn micropatroon (periode 5um) en (b) contacthoek na laserinterferentie bestraling met Q-switched Nd: YAG laser met golflengte 266 nm. (Overgenomen van Yu et al. 2005atoestemming. Copyright American Chemical Society.)

Referenties 475

Fig. 11.23 Lichtfoto's van HPF-cellen gekweekt op PC-films met laserinterferentie: (a) lijnpatroon met een periode van 3um, (b) lijnpatroon met een periode van 9um, (c) puntpatroon met een periode van 5um, en (d) puntpatroon met een periode van 7um. Alle substraten werden gecoat met collageen. (Overgenomen van Yu et al. 2005a.) Met toestemming. Copyright American Chemical Society.)