Riassunto analitico
Nanostrutture con elevate regolarità chiamate Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPPS) sono state osservate per la prima volta nel 1965. Da quel momento e fino ai giorni nostri le applicazioni basate sulla creazione di LIPPS sono state caratterizzate da bassa velocità, mancanza di uniformità e ripetibilità su larga scala. La bassa velocità di generazione è un forte limite per il trasferimento del processi di scrittura diretta di LIPSS dalla fase sperimentale di laboratorio alle applicazioni industriali. Il processo HR-LIPSS, presentato in questa tesi, mostra come sia possibile ovviare a questi problemi a rendere possibile la fabbricazione di strutture molto uniformi con una elevata ripetibilità su grande scala e ad elevata velocità presentando microstrutture esenti da biforcazione anche lavorando a velocità adatte per l’impiego industriale.
HR-LIPSS sono state generate su superfici di molibdeno, vari tipi di acciai, titanio e sue leghe, zirconio, silicio e zaffiro stabilendo nuovi standard per quanto riguarda regolarità e velocità di esecuzione. Un nuovo modello teorico viene proposto per spiegare la regolarità delle strutture ottenute su un elevato numero di materiali e predire la formazione o meno di strutture HR-LIPSS. La regolarità viene indentificata a collegata con la lunghezza dei Plasmoni-Polaritoni di superficie delle onde elettromagnetiche eccitate sulla superficie. Sono inoltre sviluppati in dettaglio i metodi per la generazione di HR-LIPPS su superfici metalliche e non. Le condizioni che permettono la formazione di strutture regolari vengono accuratamente analizzate. In questo regime vengono analizzati ed investigati i diversi fenomeni concorrenti e complementari che portano alla formazione di ondulazioni sulle superfici illuminate da impulsi singoli o da brevi ripetizioni. Vengono infine analizzate le condizioni per la formazione di LIPSS ad alta velocità e proposto uno scenario plausibile per la loro generazione.
Le applicazioni di HR-LIPPS su metalli, semiconduttori e dielettrici sono stati sistematicamente investigate in diversi campi tra cui meccanica, biomedicali, fotovoltaico, elettronica, nano- e micro-fluidica. Viene studiata l’applicazione di un trattamento LIPSS nel settore tribologico, mostrando gli effetti sul coefficiente di attrito in presenza o meno di lubrificazione. Nelle applicazioni su impianti dentali sono valutati gli effetti sulla proliferazione cellulare di superfici trattate. Vengono indicati i risultati preliminari del processo di trattamento LIPSS su superfici di stampi per micro injection molding nel migliorare il riempimento. Una approfondita analisi della bagnabilità indotta dal processo HR-LIPSS viene proposta mostrando la possibilità di modificare il comportamento della superficie da idrofilica ad idrofobica su alluminio rame e acciai inossidabili. Un’ulteriore applicazione investigata è l’utilizzo del processo HR-LIPSS per migliorare la resistenza di incollaggi su superfici di Ti6Al4V. La tecnologia HR-LIPSS, generando strutture altamente regolari con periodicità nel campo della luce visibile permette di ottenere colorazioni e riflessioni cangianti con possibili applicazioni nella decorazione e nell’anticontraffazione. L’ottenimento di strutture regolari su substrati di silicio in combinazione con la deposizione di nanopolveri di oro apre interessanti prospettive nella fabbricazione di sensori plasmonici di basso costo/ basso impatto.
In conclusione il processo HR-LIPSS sviluppato durante il corso di Dottorato permette di produrre superfici multifunzionali utilizzabili in molteplici applicazioni. Il robusto controllo della generazione di strutture quasi regolari mediante un limitato numero di impulsi offre ampie possibilità per il laser nanoprocessing di superfici ampie.
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Abstract
The nanostructures with excellent uniformity also known as laser-induced periodic surface structures (LIPSS) were observed on the first time since 1965. Since that time and until our days LIPSS based applications have suffered either from the low-speed, lack of uniformity or repeatability over large areas. A relatively low speed of the LIPSS generation strongly limits the transfer of LIPSS direct-writing methods from laboratories to industry. Present in this thesis, highly-regular LIPSS (HR-LIPSS) shows ability to overcome all these problems and being able fabrication of extremely uniform nanostructures, with excellent long-range repeatability and at high-speed. The HR-LIPSS show bifurcation-free structure evenly treated at the rate acceptable for industrial use.
HR-LIPSS have been generated on surfaces of Mo, various types of steel, Ti, Ti alloy, Zr, Si and Sapphire setting new standards with regard to regularity and speed of treatment. A novel theoretical model is proposed to explain the regularity of the structures on a number of materials and predicts whether HR-LIPSS can be formed. The physical origin of the LIPSS regularity is identified and linked with the length of surface plasmon-polaritons, of the excited surface electromagnetic waves. Moreover, the methods for ultrafast generation of HR-LIPSS on metallic and non-metallic surfaces described in details. For generation HR-LIPSS three conditions must be simultaneously fulfilled. In this regime, the several competing and complementary processes that drive the evolution of the laser-excited surface under single or very few overlapping pulses are investigated.
Further, HR-LIPSS on metals, semiconductors and dielectric were systematically investigated in various fields including mechanics, medicines, photovoltaics, electronics, nano- and microfluidics, anti-icing and others. So, for tribological applications were observed that LIPSS treatment effects on the coefficient of friction a both in dry and lubricated conditions. Results demonstrates a higher ratio of cells growth on laser-nanostructured surfaces compared to untreated ones for dental implants. It outlines the preliminary results of LIPSS treatment on surfaces of molds for micro injection molding to improve filling.
Results on surface wettability outlined that HR-LIPSS treatments permit to change the surface behaviour from hydrophilic to hydrophobic behaviour on aluminium, copper and stainless steel surfaces. The presented results on test of adhesive properties of nanotextures Ti6Al4V show the relationship between adhesion and LIPSS has been investigated. This technology also showed eye-catching appearance and can serve as a decoration or for counter-faking and identification marking of any company products. Highly-regular laser induced 1D periodic surface structures on Si substrate with following Au nanoparticles self-assembling on the top of grating grooves support excitation of the surface plasmon resonance that opens a perspective for fabrication of unique and cheap plasmonic sensors.
Finally, it should to notice, that HR-LIPSS developed during this PhD course permits to produce a multifunctional surface that can be applied in numerous applications. The excellent control of generation laser-induced periodic structures at reduced number of pulses may now enable the new era of laser nanoprocessing on large area for the development of new applications.
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