Anwendungen der Laserinterferenzverarbeitung (3)

Phase-Mikrostruktur-Effekte bei der Strukturierung von Filmen

Neben den periodischen physischen topographischen Änderungen führt die Wechselwirkung des Laserinterferenzmusters mit dem Material häufig zu metallurgischen Effekten wie Phasentransformation, Rekristallisation, IntermetallikReaktionen usw. Dadurch kann eine periodische Modulation der metallurgischen Mikrostruktur (und abhängiger physikalisch-mechanischer Eigenschaften) erreicht werden (Daniel und Dahotre 2006). Durch Kombinieren

Abb. 11.19 (a) Variation des berechneten Anteils des geschmolzenen Materials (Al und Ni) in verschiedenen Schichten mit Laserfluenz, (b) berechneter Querschnitt des Mehrschichtfilms, der die Anteile des geschmolzenen Materials (Al und Ni) in verschiedenen Schichten darstellt(Laserfluenz von 300 mJ / cm²), (c) TEM-Mikroaufnahme, die einzelne Al- und Ni-Schichten nach Bestrahlung mit einem Laserinterferenzmuster zeigt. (Nachdruck von Daniel et al. 2004. Mit freundlicher Genehmigung. Copyright Elsevier.)

Die Eigenschaften des nicht betroffenen Bereichs und des mit Laserinterferenz bestrahlten Bereichs, des Oberflächenverbundfilms, können realisiert werden.

Sivakov et al. (2005) untersuchten die durch Laserinterferenz induzierten periodischen Phasentransformationen in Eisenoxidfilmen aufgrund von auf Silizium-Substraten abgeschiedenem chemischen Dampf. Die periodischen Phasenumwandlungen von Hämatit zu Magnetit undBasierend auf einer detaillierten Röntgenbeugungsanalyse vor und nach der Laserinterferenzbestrahlung wurde über Magnetit bis Wustit berichtet.

Es wurde vorgeschlagen, dass reduktive Phasenumwandlungen von Hämatit zu Magnetit und Magnetit zu Hämatit in den Bereichen hoher Energie durch räumlich begrenzte Plasmadichte induziert werden. Die Wechselwirkung des Lasers mit dem Film ergibt sichbei der Erzeugung der Plasmafahne, die die Wechselwirkung von Sauerstoff mit verhindert

Abb. 11.20 Röntgenbeugungsmuster des Hämatitfilms (a) vor und (b) nach Laserinterferenzbestrahlung. H und M entsprechen Hämatit (Fe2O3) bzw. Magnetit (Fe3O4). (Nachdruck aus Sivakov et al. 2005. MitGenehmigung. Copyright Elsevier.)

CVD-Film und erleichtert so reduktive Transformationen. Die Energie für solche periodischen Transformationen wird durch die modulierten Intensitätsverteilungen im einfallenden Interferenzmuster bereitgestellt. Abbildung 11.20 zeigt die RöntgenbeugungMuster des CVD-Hämatitfilms vor und nach der Laserinterferenzbestrahlung. Wie in der Figur gezeigt, erscheint der Magnetit-Peak nach Wechselwirkung mit dem Laserinterferenzmuster in den Proben strukturierter Hämatitfilme.

Die Bildung periodischer magnetischer und nichtmagnetischer Domänen in den Eisenoxidfilmen durch Laserinterferenzverarbeitung bietet mehrere Anwendungen (Sivakov et al. 2005).

Die Bestrahlung von Laserinterferenzmustern kann auch die periodische Bildung intermetallischer Verbindungen in der homogenen Matrix auslösen und somit die Verbundoberflächen mit einer hohen Festigkeit der intermetallischen Verbindungen und der Duktilität vonMatrixmaterial. Dies wird am Beispiel von Ni-Al-Filmen auf Si-Wafern demonstriert. Ni-Al-Filme (900 nm dick) mit stöchiometrischem Verhältnis von 3: 1, abgeschieden durch Magnetron-Sputtern, wurden durch Laserinterferenzmuster modifiziert.

Basierend auf der Röntgenbeugung wurde berichtet, dass Ni-Al-Intermetall in den Bereichen der Laserwechselwirkung mit dem Film gebildet wird. Darüber hinaus zeigten Nanoindentationsstudien, dass periodische intermetallische Phasen gebildet werdenverbunden mit periodischer Modulation mechanischer Eigenschaften. Die Eindruckhärte im Bereich von 10 GPa wird im lasermodifizierten Bereich (in dem intermetallische Reaktion stattfindet) im Vergleich zu einer durchschnittlichen Härte von 4 GPa im beobachtetunbehandelte Bereiche (Abb. 11.21) (Liu et al. 2003).

Abb. 11.21 (a) AFM-Oberflächenprofil, (b) Aufnahme von Nanoindentationen im laserbehandelten Bereich und (c) Härteverteilung über eine Interferenzperiode in einem mit Laserinterferenzmuster bestrahlten Ni-Al-Film von 900 nm. (Nachdruck vonLiu et al. 2003. Mit freundlicher Genehmigung. Copyright Elsevier.)

Strukturierung von Biomaterialien

In letzter Zeit stößt die Laserinterferenzverarbeitung zum Modifizieren der Oberflächen von Biomaterialien auf erhebliches Forschungsinteresse. Es wurde vorgeschlagen, dass die Chemie und Topographie der Biomaterialien auf günstige Weise modifiziert werden kannBestrahlung mit einem Laserinterferenzmuster für eine verbesserte Zell-Oberflächen-Interaktion und folglich das Anhaften, Ausbreiten und Ausrichten der Zellen auf der Oberfläche. Die Interferenztechniken zur Modifizierung der Oberflächen von Biomaterialienbasieren auf der selektiven Ablation des Materials bei den Interferenzmaxima, was zu Mikrostrukturen führt, die aus genau definierten Stegen und Rillen bestehen. Von solchen Mikrostrukturen wird erwartet, dass sie das Zellwachstum in bestimmte Richtungen lenken(Kontaktführung). Der wesentliche Vorteil dieser Technik im Vergleich zur zufälligen Strukturierung besteht darin, dass die Mikrostrukturen auf der Oberfläche von Biomaterialien effizient auf die gewünschten Dimensionen (Periodizität, Höhe,und Breite von Linien oder Punkten) durch Steuern der Laserbearbeitungsparameter. Auch eine Vielzahl von Biomaterialien wie Metall, Keramik und Polymere können effektiv modifiziert werden (Li et al. 2003).

Die meisten Arbeiten, die kürzlich über Studien zur Interferenzmusterung von Biomaterialien berichtet wurden, sind auf wenige Biopolymere beschränkt. Die wichtigen Parameter der Laserinterferenz gemusterten Oberflächen, von denen erwartet wird, dass sie den Einfluss habenZelladhäsion, -wachstum und -orientierung sind der Kontaktwinkel, die Periodendimension, die Morphologie (Linien oder Punkte). Abbildung 11.22 zeigt den Einfluss der Laserfluenz auf die Tiefe der Mikromuster und den Kontaktwinkel in 100 um Dickemit Laserinterferenzmuster bestrahlter Polycarbonatfilm. Wie in der Abbildung gezeigt, nimmt die Tiefe der Mikrostruktur zu und der Kontaktwinkel nimmt mit der Laserfluenz ab. Also die Topographie und die Benetzungseigenschaftenkann durch Laserinterferenzmusterung modifiziert werden, um die Zelladhäsion zu fördern (Yu et al. 2005a, b).

Obwohl umfangreiche Untersuchungen zur Charakterisierung der Interferenzstrukturen in verschiedenen Materialien berichtet wurden, wurden nur sehr wenige Studien zur Wechselwirkung von Zellen mit lasermodifizierten Oberflächen vorgelegt. Abbildung 11.23präsentiert die Ergebnisse einer der Studien zu den Reaktionen von HPF-Zellen (Human Pulmonary Fibroblast) auf Linienstrukturen und Punktstrukturen, die auf der Oberfläche von Polycarbonatfilmen (PC) durch Laserinterferenz mit zwei oder mehr Strahlen erhalten werden. DasZellen, die auf den strukturierten Oberflächen kultiviert wurden, waren meistens spindelartig und bipolar. Wie in den Lichtfotografien angedeutet, zeigen die auf den Linienmustern gezüchteten Zellen ein gerichtetes Wachstum parallel zu den Linien, wohingegen die Zellen weiter kultivierenDie Punktmuster zeigten meist zufällige Orientierungen (Yu et al. 2005a).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Laserinterferenzbearbeitung von modernen metallischen, polymeren und keramischen Materialien ein enormes Potenzial für Anwendungen bietet, in denen eine periodische Modulation der Eigenschaften und der Topographie gewünscht wird. Die Technologieist noch relativ neu und gibt verschiedene Richtungen für die Forschung vor. Bisher beschäftigten sich die meisten Studien mit der Charakterisierung periodischer Muster in verschiedenen Systemen und dem parametrischen Einfluss von Laserparametern auf die Morphologieund Topographie der Interferenzstrukturen, die auf den Materialoberflächen erzeugt werden. Die Modulation der Energieintensität im Interferenzmuster führt zu einer Komplexität von thermischen Effekten, beispielsweise inhomogenen TemperaturenVerteilungen, Temperaturgradienten, Abkühlraten und thermische Spannungen. Diese thermischen Effekte haben einen starken Einfluss auf den Fluidfluss, die Verfestigung, die Mikrostrukturentwicklung, die thermischen Spannungen usw. Eine Kombination aus Modellierung undExperimentelle Studien zur Laser-Material-Wechselwirkung während der Interferenzverarbeitung werden weitere Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des Prozesses in den aufkommenden Anwendungen liefern.

Abb. 11.22 Einfluss der Laserfluenz auf (a) Tiefe der Linienmikrostruktur (Periode 5um) und (b) Kontaktwinkel nach Laserinterferenzbestrahlung mit gütegeschaltetem Nd: YAG-Laser der Wellenlänge 266 nm. (Nachdruck aus Yu et al. 2005a. MitGenehmigung. Copyright American Chemical Society.)

Verweise 475

Abb. 11.23 Lichtaufnahmen mit HPF-Zellen, die auf Laserinterferenz-strukturierten PC-Filmen kultiviert wurden: (a) Linienmuster mit einer Periode von 3 µm, (b) Linienmuster mit einer Periode von 9 µm, und (d) PunktMuster mit einer Periode von 7 um. Alle Substrate wurden mit Kollagen beschichtet. (Nachdruck von Yu et al. 2005a. Mit Genehmigung. Copyright American Chemical Society.)