라벨을 이용한 표면 나노구조의 비파괴 검사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6008(2023) 이 기사 인용

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초고속 레이저 가공은 조사 레이저 파장에 가까운 치수를 가진 대부분의 재료에서 표면 나노구조화(SNS)를 유도할 수 있습니다. 현장 SNS 특성화는 복합 및/또는 하이브리드 나노구조 생성에 필수적인 레이저 매개변수의 미세 조정에 핵심이 될 수 있습니다. 자외선(UV) 범위에서 생성된 레이저 유도 주기 표면 구조(LIPSS)는 가장 매혹적인 효과를 생성합니다. 그러나 크기가 100nm만큼 작을 수 있기 때문에 비파괴적인 방식으로 특성화하기가 매우 어렵습니다. 기존의 광학 이미징 방법은 실제로 회절에 의해 \(\대략 150\)nm의 해상도로 제한됩니다. 광학 초고해상도 기술은 이론적으로 LIPSS의 시각화를 허용하는 회절 한계를 넘어설 수 있지만 대부분의 초고해상도 방법에는 샘플을 수정하는 작은 프로브(예: 형광단)가 필요하며 일반적으로 직접 표면과 호환되지 않습니다. 점검. 이 논문에서는 광자 재할당 방식(재스캔 현미경이라고도 함)의 수정된 라벨 없는 공초점 반사 현미경(CRM)이 하위 회절 한계 LIPSS를 감지할 수 있음을 보여줍니다. \(\lambda =257\)nm 펨토초 UV 레이저로 조사된 티타늄 샘플에서 생성된 SNS는 105~172nm 범위의 나노구조화 기간을 특징으로 합니다. 우리의 라벨 없는 비파괴 광학 표면 검사는 180\(\upmu\)m\(^2\)/s에서 수행되었으며 결과는 우리 접근 방식의 도량형 효율성을 보여주는 상업용 SEM과 비교되었습니다.

재료의 레이저 초고정밀 가공은 50년 이상 널리 알려져 왔습니다. 보다 구체적으로, 레이저 유도 주기 구조(LIPSS 또는 잔물결)의 생성은 표면의 습윤성 조정2,3, 항균 기능 추가2,4 또는 세포 접착 제어5, 6,7,8. 펨토초 레이저는 조사 파장에 따라 달라지는 주기로 표면에 LIPSS를 생성할 수 있습니다. LIPSS의 두 가지 유형이 문헌에 보고되었습니다9: 낮은 공간 주파수 LIPSS(LSFL) 및 높은 공간 주파수 LIPSS(HSFL). LSFL이 일반적으로 레이저 편광에 수직으로 향하는 레이저 조사 파장 \(\lambda _i/2\)의 절반보다 큰 주기 \(\Lambda _L\)를 나타낼 때 HSFL은 주기성 \(\Lambda _H\ ) 레이저 조사 파장의 절반보다 낮습니다. 더 짧은 조사 파장을 사용하면 LSFL과 HSFL 모두에 대해 리플 주기성이 낮아지고 최근 자외선(UV) fs 레이저의 최첨단 개발로 향상된 광학적, 화학적 또는 기계적 효과3,10,11,12로 표면 구조가 더 선명해집니다. 이러한 나노 구조를 특성화하기 위한 주사 전자 현미경(SEM) 및 원자력 현미경(AFM)은 최고의 표준 도구이지만 금속화할 수 없는 유전체 또는 깨지기 쉬운 샘플이나 LIPSS 진폭이 관심인 경우에는 어렵습니다. 더욱이 나노 구조(예: LIPSS)에 대한 이러한 특성화 방법(SEM 및 AFM)은 일반적으로 특성화 장비 전용 원격 위치(레이저 패터닝 설정)에서 오프사이트에서 수행됩니다. 현장, 외부 분석이 가능하지만 이를 위해서는 레이저 시설과 분석 장비의 맞춤형 통합이 필요한 경우가 많습니다13. 소형 LIPSS와 같은 작은 물체의 도량형 연구를 가능하게 하는 광학 시스템은 비용 효율적인 솔루션으로 파라메트릭 연구를 가속화하고 연구 속도를 높일 것입니다. 예를 들어 적외선(IR) fs 레이저를 사용하여 생성된 장기간 LIPSS의 비파괴 검사는 기존의 광학 이미징 방법을 특징으로 하는 것으로 구상될 수 있습니다. 실제로 LSFL은 약 600nm의 주기성을 가지며 HSFL은 300nm 미만에서 쉽게 최고의 분해능 한계에 가까워 거의 대조되지 않습니다. 그러나 가시광선 또는 UV fs 레이저는 광학 회절 한계 이하의 주기성을 갖는 HSLF 및 LFSL LIPSS를 생성합니다. 따라서 비파괴 검사 방식을 유지하려면 이러한 회절 한계를 극복하는 광학 이미징 방법이 필수적입니다.