Applicazioni di Laser Interference Processing (3)

Effetti della microstruttura di fase durante la strutturazione di film

Oltre ai periodici cambiamenti fisici topografici, l'interazione del modello di interferenza laser con il materiale spesso si traduce in effetti metallurgici come la trasformazione di fase, la ricristallizzazione, l'intermetallicoreazioni, ecc. Quindi, è possibile ottenere la modulazione periodica della microstruttura metallurgica (e le proprietà fisico-meccaniche dipendenti) (Daniel e Dahotre 2006). Combinando

Fig. 11.19 (a) Variazione della frazione calcolata di materiale fuso (Al e Ni) in vari strati con fluenza laser, (b) sezione trasversale calcolata di film multistrato che rappresenta frazioni di materiale fuso (Al e Ni) in vari strati(Fluenza laser di 300 mJ / cm2), (c) Micrografia TEM che mostra i singoli strati Al e Ni dopo l'irradiazione con pattern di interferenza laser. (Ristampato da Daniel et al., 2004. Con permesso. Copyright Elsevier.)

le proprietà della regione non affetta e la regione irradiata da interferenze laser, il film composito superficiale può essere realizzato.

Sivakov et al. (2005) hanno studiato le trasformazioni di fase periodica indotte da interferenze laser in film di ossido di ferro a causa del vapore chimico depositato su substrati di silicio. Le trasformazioni periodiche di fase da ematite a magnetite esono state riportate magnetite a wustite sulla base di un'analisi dettagliata di diffrazione dei raggi X prima e dopo l'irradiazione con interferenza laser.

È stato proposto che le trasformazioni di fase riduttiva da ematite a magnetite e magnetite a ematite nelle regioni di alta energia sono indotte dalla densità del plasma spazialmente confinata. L'interazione del laser con i risultati del filmnella generazione del plume plasmatico che impedisce l'interazione di ossigeno con il

Fig. 11.20 Schemi di diffrazione dei raggi X del film ematite (a) prima e (b) dopo irradiazione con interferenza laser. H e M corrispondono rispettivamente all'ematite (Fe2O3) e alla magnetite (Fe3O4). (Ristampato da Sivakov et al., 2005, conautorizzazione. Copyright Elsevier.)

Film CVD e quindi facilita le trasformazioni riduttive. L'energia per tali trasformazioni periodiche è fornita dalle distribuzioni di intensità modulate nel modello di interferenza incidente. La Figura 11.20 presenta la diffrazione dei raggi Xmodelli del film di ematite CVD prima e dopo l'irradiazione con interferenza laser. Come indicato nella figura, il picco di magnetite appare nei campioni di film di ematite strutturati dopo l'interazione con il modello di interferenza laser.

La formazione di domini magnetici e non magnetici periodici nelle pellicole di ossido di ferro mediante elaborazione di interferenze laser offre diverse applicazioni (Sivakov et al., 2005).

L'irradiazione del modello di interferenza laser può anche iniziare la formazione periodica di composti intermetallici nella matrice omogenea e quindi realizzare le superfici composte con alta resistenza di intermetallici e duttilità dimateriale a matrice. Ciò è dimostrato per il caso di film Ni-Al depositati su wafer Si. Le pellicole di Ni-Al (spessore di 900 nm) con rapporto stechiometrico di 3: 1 depositato mediante sputtering di magnetron sono state modificate da modelli di interferenza laser.

Sulla base della diffrazione dei raggi X, è stato riportato che Ni Al intermetallico si forma nelle aree dell'interazione laser con il film. Inoltre, gli studi di nanoindentazione hanno indicato che la formazione di fasi intermetalliche periodiche èassociato alla modulazione periodica delle proprietà meccaniche. La durezza dell'indentazione nell'intervallo di 10 GPa è osservata nell'area modificata dal laser (dove avviene la reazione intermetallica) rispetto alla durezza media di 4 GPa nelaree non trattate (Fig. 11.21) (Liu et al., 2003).

Fig. 11.21 (a) Profilo superficiale AFM, (b) immagine di nanoindentazioni nella regione trattata con laser e (c) distribuzione della durezza attraverso un periodo di interferenza in una pellicola Ni-Al da 900 nm irradiata con pattern di interferenza laser. (Ristampato daLiu et al. 2003. Con permesso. Copyright Elsevier.)

Strutturazione di biomateriali

Recentemente, l'elaborazione di interferenze laser per modificare le superfici dei biomateriali sta attraendo importanti interessi di ricerca. È stato suggerito che la chimica e la topografia dei biomateriali possano essere modificate favorevolmente dairradiamento con pattern di interferenza laser per una migliore interazione cellula-superficie e conseguente attaccamento, diffusione e orientamento delle cellule sulla superficie. Le tecniche di interferenza per modificare le superfici dei biomaterialisi basano sulla ablazione selettiva del materiale ai massimi di interferenza con conseguente micropatterns costituito da creste e solchi ben definiti. Ci si aspetta che tali micropattern indirizzino la crescita cellulare in direzioni specifiche(guida di contatto). Il vantaggio significativo di questa tecnica rispetto al modello casuale è che i micropattern sulla superficie dei biomateriali possono essere controllati efficientemente alle dimensioni desiderate (periodicità, altezza,e larghezza di linee o punti) controllando i parametri di elaborazione del laser. Inoltre, una varietà di biomateriali come metallo, ceramica e polimeri può essere efficacemente modificata (Li et al., 2003).

La maggior parte del lavoro recentemente riportato sugli studi di modellazione delle interferenze dei biomateriali è limitato a pochi biopolimeri. I parametri importanti delle superfici modellate con interferenza laser su cui ci si aspetta influenzil'adesione, la crescita e l'orientamento delle cellule sono l'angolo di contatto, la dimensione del periodo, la morfologia (linee o punti). La Figura 11.22 presenta l'influenza della fluenza del laser sulla profondità del micropattern e l'angolo di contatto a 100um di spessorepellicola di policarbonato irradiata con pattern di interferenza laser. Come indicato nella figura, la profondità del micropattern aumenta e l'angolo di contatto diminuisce con la fluenza del laser. Quindi, la topografia e le caratteristiche di bagnaturapuò essere modificato da un pattern di interferenza laser per promuovere l'adesione cellulare (Yu et al. 2005a, b).

Sebbene siano stati riportati ampi studi sulla caratterizzazione delle strutture di interferenza ottenute in vari materiali, sono stati riportati pochissimi studi sull'interazione di cellule con superfici modificate dal laser. Figura 11.23presenta i risultati di uno degli studi sulle risposte delle cellule di HPF (fibroblasti polmonari umani) alle strutture lineari e alle strutture puntiformi ottenute sulla superficie di film di policarbonato (PC) mediante interferenze laser a due o più raggi. Ille cellule coltivate sulle superfici strutturate erano per lo più fusiformi e bipolari. Inoltre, come indicato nelle fotografie di luce, le cellule coltivate sui modelli di linee mostrano una crescita direzionale parallela alle linee, mentre le cellule sono coltivate sugli schemi puntuali mostravano principalmente orientamenti casuali (Yu et al., 2005a).

Riassumendo, l'elaborazione di interferenze laser di materiali metallici, polimerici e ceramici avanzati offre un enorme potenziale da utilizzare in applicazioni in cui si desidera la modulazione periodica delle proprietà e della topografia. La tecnologiaè ancora relativamente nuovo e presenta varie direzioni per la ricerca. Ad oggi, la maggior parte degli studi ha riguardato la caratterizzazione di schemi periodici in vari sistemi e l'influenza parametrica dei parametri laser sulla morfologiae topografia delle strutture di interferenza generate sulle superfici del materiale. La modulazione dell'intensità energetica nel modello di interferenza dà luogo alla complessità degli effetti termici, come la temperatura disomogeneadistribuzioni, gradienti di temperatura, velocità di raffreddamento e tensioni termiche. Questi effetti termici hanno un forte impatto sul flusso del fluido, sulla solidificazione, sullo sviluppo della microstruttura, sugli stress termici, ecc. Una combinazione di modellazione estudi sperimentali sull'interazione laser-materiale durante l'elaborazione delle interferenze forniranno ulteriori approfondimenti per l'avanzamento del processo nelle applicazioni emergenti.

Fig. 11.22 Effetto della fluenza del laser su (a) profondità micropattern (periodo 5um) e (b) angolo di contatto dopo irradiazione con interferenza laser con laser Nd: YAG Q-switched di lunghezza d'onda 266 nm. (Ristampato da Yu et al., 2005aautorizzazione. Copyright American Chemical Society.)

Riferimenti 475

Fig. 11.23 Fotografie luminose che mostrano cellule HPF coltivate su film PC strutturati con interferenze laser: (a) schema di linee con un periodo di 3um, (b) pattern di linee con un periodo di 9um, (c) pattern di punti con un periodo di 5um, e (d) puntomodello con un periodo di 7um. Tutti i substrati sono stati rivestiti con collagene. (Ristampato da Yu et al., 2005a., Con permesso. Copyright American Chemical Society.)