Inspeção não destrutiva de nanoestruturação de superfície usando rótulo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6008 (2023) Citar este artigo

700 Acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

O processamento a laser ultrarrápido pode induzir nanoestruturação de superfície (SNS) na maioria dos materiais com dimensões próximas ao comprimento de onda do laser de irradiação. A caracterização in-situ do SNS pode ser a chave para o ajuste fino dos parâmetros do laser, essencial para a geração de nanoestruturas complexas e/ou híbridas. Estruturas periódicas de superfície induzidas por laser (LIPSS) criadas na faixa ultravioleta (UV) geram os efeitos mais fascinantes. No entanto, eles são altamente desafiadores para caracterizar de maneira não destrutiva, pois suas dimensões podem ser tão pequenas quanto 100 nm. Os métodos convencionais de imagem óptica são realmente limitados pela difração a uma resolução de \(\aprox 150\) nm. Embora as técnicas de super-resolução óptica possam ir além do limite de difração, que em teoria permite a visualização do LIPSS, a maioria dos métodos de super-resolução requer a presença de pequenas sondas (como fluoróforos) que modificam a amostra e geralmente são incompatíveis com uma superfície direta inspeção. Neste artigo, demonstramos que um Microscópio de Reflectância Confocal (CRM) sem rótulo modificado em um regime de reatribuição de fótons (também chamado de microscopia de re-varredura) pode detectar o limite de subdifração LIPSS. Os SNS gerados em uma amostra de titânio irradiada com um \(\lambda =257\) nm femtosecond UV-laser foram caracterizados com período de nanoestruturação variando de 105 a 172 nm. Nossa inspeção de superfície óptica não destrutiva e sem etiqueta foi feita a 180 \(\upmu\)m\(^2\)/s, e os resultados são comparados com SEM comercial mostrando a eficiência metrológica de nossa abordagem.

O processamento a laser de materiais de altíssima precisão é amplamente conhecido há mais de cinco décadas. Mais especificamente, a geração de estruturas periódicas induzidas por laser (LIPSS ou ondulações) é um fenômeno universal que abre caminho para inúmeras aplicações1, como ajustar a molhabilidade de superfícies2,3, adicionar funcionalidades antibacterianas2,4 ou controlar a adesão celular5, 6,7,8. Os lasers de femtosegundo podem gerar LIPSS em superfícies com uma periodicidade que depende do comprimento de onda da irradiação. Dois tipos de LIPSS têm sido relatados na literatura9: LIPSS de baixa frequência espacial (LSFL) e LIPSS de alta frequência espacial (HSFL). Quando os LSFL exibem um período \(\Lambda _L\) maior que a metade do comprimento de onda da irradiação do laser \(\lambda _i/2\), geralmente orientados perpendicularmente à polarização do laser, os HSFL apresentam uma periodicidade \(\Lambda _H\ ) inferior a metade do comprimento de onda da irradiação do laser. O uso de comprimento de onda de irradiação mais curto resulta em menor periodicidade de ondulação, tanto para LSFL quanto para HSFL, e recentes desenvolvimentos de ponta em lasers ultravioleta (UV) fs desbloqueiam uma estruturação de superfície mais nítida com efeitos ópticos, químicos ou mecânicos aprimorados3,10,11,12. Para caracterizar essas nanoestruturas, a Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e a Microscopia de Força Atômica (AFM) são as ferramentas padrão-ouro, mas são desafiadoras em amostras dielétricas ou frágeis que não podem ser metalizadas ou quando a amplitude LIPSS é de interesse. Além disso, esses métodos de caracterização (SEM e AFM) para nanoestruturas (como LIPSS) são, em geral, executados fora do local em um local remoto (para a configuração do laser patterning) dedicado aos instrumentos de caracterização. A análise in-situ e fora do local é possível, mas isso geralmente requer integração personalizada de instalações de laser e instrumentos de análise13. Um sistema óptico que permite o estudo metrológico de pequenos objetos, como pequenos LIPSS, aceleraria o estudo paramétrico e aumentaria o ritmo da pesquisa com uma solução econômica. A inspeção não destrutiva de LIPSS de grande período - gerada, por exemplo, com um laser fs infravermelho (IR) - pode ser caracterizada por métodos convencionais de imagem óptica. De fato, LSFL tem periodicidade em torno de 600 nm, e HSFL prontamente abaixo de 300 nm, próximo aos melhores limites de resolução, portanto, dificilmente contrastados. No entanto, os lasers visíveis ou UV fs geram HSLF e LFSL LIPSS com periodicidade caindo abaixo do limite de difração óptica: para manter o regime de inspeção não destrutiva, métodos de imagem óptica que superam esse limite de difração são essenciais.