4.3. Pel´ıcula delgada de Titanio
5.1.1. Optimizaci ´on de las LIPSS en la pel´ıcula delgada de Bismuto
Bas ´andonos en los resultados anteriores, se modificaron los valores de irradiaci ´on para optimizar la formaci ´on de LIPSS sobre la pel´ıcula delgada de Bismuto, buscando tambi ´en evitar la evapora- ci ´on del material. Para esto, se redujeron los valores de fluencia a16.78y19.62mJ/cm2. Adem ´as,
se utiliz ´o un n ´umero de pulsos de50,100,150y200.
Por otra parte, tomando en cuenta que la energ´ıa m ´axima del l ´aser de femtosegundos es de40 µJ, el uso de frecuencias de repetici ´on en el orden de hercios implica la manipulaci ´on de potencias promedio muy bajas (10−6). En este contexto, el uso de potencias muy bajas tiende a incrementar el nivel incertidumbre. Considerando lo anterior y debido a las complicaciones t ´ecnicas en la me- dici ´on de potencia promedio a una frecuencia de repetici ´on de15Hz, se modific ´o la frecuencia de repetici ´on del l ´aser. Sin embargo, con el fin de evitar efectos de acumulaci ´on t ´ermica fue necesario considerar eltiempo caracter´ıstico de acumulaci ´on t ´ermicaen pel´ıculas delgadas para el caso de pulsos l ´aser (Leung y Tam, 1984):
tc=
wo2
4·D, (33)
dondewoes el radio del haz l ´aser incidente yDes la difusividad t ´ermica del material. La Ecuaci ´on 33 representa el tiempo necesario para que un cambio de temperatura se propague una distancia wo. Para una difusividad t ´ermica del Bismuto de6.6m2/s y un di ´ametro del haz l ´aser de102.37µm fue posible determinar untcbis ≈99.3 µs. Considerando este valor, se seleccion ´o una frecuencia de repetici ´on de10.02 kHz. Esta frecuencia de repetici ´on corresponde a un tiempo entre pulsos l ´aser mayor al tiempo de difusi ´on t ´ermica caracter´ıstico del Bismuto. De esta manera, se evitar ´an efectos t ´ermicos acumulativos.
Utilizando los par ´ametros de irradiaci ´on antes mencionados, se gener ´o la matriz de micro- graf´ıas ´opticas mostradas en la Figura 36. Para ambas fluencias de16.8y19.6mJ/cm2, las micro- graf´ıas ´opticas muestran la formaci ´on de LIPSS para todo el rango de n ´umero de pulsos utilizados (50,100,150y200). Sin embargo, el proceso de evaporaci ´on de material es notable en las irradia- ciones con una fluencia por pulsoFp ≈19.6mJ/cm2.
Adicionalmente, en la Figura 36 se observa la transformada de Fourier calculada de las micro- graf´ıas ´opticas. A partir de la transformada de Fourier es posible determinar la periodicidad y el ´angulo de dispersi ´on angular en la orientaci ´on de las LIPSS (DLOA, por sus siglas en ingl ´es ”The Dispersion of the LIPSS Orientation Angle”). Para efectos pr ´acticos el DLOA es un par ´ametro que define la regularidad de las periodicidades de las LIPSS, y en este caso es evaluado tal y como se
observa en la Figura 58. Los detalles del procedimiento utilizado para determinar la periodicidad y DLOA de las LIPSS son descritos en el anexo A.
Figura 36.Micrograf´ıas ´opticas de las LIPSS formadas a fluencias de16.78y19.62mJ/cm2. Cada micrograf´ıa presenta
su transformada de Fourier correspondiente.
Tabla 9.C ´alculo de la periodicidad y DLOA promedio de las LIPSS en Bismuto. An ´alisis realizado con las micrograf´ıas ´opticas.
N ´umero de pulsos Fluencia de 16.78 mJ/cm
2 Fluencia de 19.62 mJ/cm2
Periodicidad [nm] DLOA [◦] Periodicidad [nm] DLOA [◦]
50 1023 44 1025 38
100 1022 45 1024 36
150 1021 30 1023 37
En la Tabla 9 se muestran los resultados de analizar la periodicidad y el DLOA de las transfor- madas de Fourier ilustradas en la Figura 36.
Al graficar los datos mostrados en la Tabla 9, se obtiene el resultado mostrado en la Figura 37. Ambas gr ´aficas, Figura 37(a) y 37(b), muestran el efecto del n ´umero de pulsos (N) en la periodici- dad y el DLOA para fluencias de16.78y19.62mJ/cm2, respectivamente.
(a) (b)
Figura 37.Efecto de la periodicidad y el DLOA con respecto al n ´umero de pulsos a partir del an ´alisis con las micro- graf´ıas ´opticas. Resultado a una fluencia de (a)16.78mJ/cm2y (b)
19.62mJ/cm2.
Aunque los datos muestran una variaci ´on muy peque ˜na, es posible observar una tendencia en la periodicidad de las LIPSS paraFp≈16.78mJ/cm2 (Figura 37(a)) y paraFp ≈19.62mJ/cm2(Fi- gura 37(b)). En ambos resultados se puede apreciar como la periodicidad tiende a disminuir con el aumento del n ´umero de pulsos. La variaci ´on de la periodicidad de las LIPSS paraFp ≈ 16.78 mJ/cm2 es de 6.4 nm, mientras que la variaci ´on para F
p ≈ 19.62 mJ/cm2 es de 2.97 nm. Este efecto ha sido consistentemente observado en los trabajos previos de Huanget al.(2009); Bonse y Kr ¨uger (2010); Nathalaet al.(2015); Irizawaet al.(2017); demostrando la reducci ´on de la perio- dicidad de las LIPSS en funci ´on al n ´umero de pulsos. Inclusive, recientemente se ha propuesto un modelo para predecir la periodicidad de las LSFL en funci ´on al n ´umero de pulsos en t ´erminos de la rugosidad de la superficie y el esparcimiento del SPP (Ioninet al., 2015).
Por otra parte, los resultados paraFp ≈19.62mJ/cm2 demuestran que las variaci ´on del DLOA en funci ´on deN son menores que las variaciones del DLOA obtenidas paraFp≈16.78mJ/cm2.
pulsos de100y200. Las micrograf´ıas SEM demuestran que la formaci ´on de LIPSS en la pel´ıcula delgada de Bismuto son muy superficiales. Las ondulaciones est ´an compuestas, principalmente, de nanopart´ıculas de Bismuto. En el caso de las micrograf´ıas SEM a una fluencia de16.78mJ/cm2, se observa que las LIPSS formadas a un n ´umero de pulsos de100 son dif´ıcilmente visibles; sin embargo, se puede observar que las LIPSS generadas a un n ´umero de pulsos de200son m ´as ordenadas. Para la fluencia de 19.62 mJ/cm2 se observa formaci ´on LIPSS para un n ´umero de
pulsos de100y200; sin embargo, para este valor de fluencia la pel´ıcula de Bismuto comienza a evaporarse.
Figura 38.Micrograf´ıas SEM de las LIPSS formadas a fluencias de 16.78y19.62mJ/cm2, utilizando un n ´umero de pulsos de100y200. Cada micrograf´ıa SEM presenta su transformada de Fourier correspondiente.
En la Tabla 10 se muestran los datos de la periodicidad y DLOA de las LIPSS para las micro- graf´ıas SEM. En este caso, la medici ´on fue realizada en dos regiones:(A)y(B). La imagen en la regi ´on(A)consiste en toda la zona irradiada, mientras que la imagen(B)es la zona central de la irradiaci ´on. Analizando los datos de las irradiaciones con un con200pulsos es posible observar que los valores de periodicidad y DLOA, para la zona(A)y (B), no muestran una gran variaci ´on en comparaci ´on con los datos de las irradiaciones con100pulsos. En este contexto, este an ´alisis puede ser utilizado para definir los par ´ametros de irradiaci ´on ´optimos para generar LIPSS unifor- mes.
Tabla 10.C ´alculo de la periodicidad y DLOA de las LIPSS en Bismuto. An ´alisis realizado con las micrograf´ıas SEM.
N ´umero de pulsos Zona Fluencia de 16.78 mJ/cm
2 Fluencia de 19.62 mJ/cm2
Periodicidad [nm] DLOA [◦] Periodicidad [nm] DLOA [◦]
100 (A) 1017 58 1017 36
(B) 1019 49 1037 56
200 (A) 1013 39 1028 34
(B) 1013 40 1020 37
Otro estudio importante, relacionado a la composici ´on qu´ımica del material, es el an ´alisis de la modificaci ´on de la qu´ımica del material debido a la interacci ´on con luz l ´aser. Para esto, el an ´alisis de la composici ´on qu´ımica de las LIPSS en Bismuto se realiz ´o con la t ´ecnica de espectroscop´ıa Raman. En la Figura 39(a) y 39(b) se muestra el espectro Raman de las irradiaciones a una fluen- cia de16.78y19.62mJ/cm2, respectivamente.
(a) (b)
Figura 39.Espectro Raman de las LIPSS formadas en la pel´ıcula delgada de Bismuto para una (a)Fp≈16.78mJ/cm2, y (b)Fp≈19.62mJ/cm2
La Figura 39(a), corresponde a los espectros Raman obtenidos para unaFp ≈16.78mJ/cm2. ´
Estos fueron obtenidos para distintas regiones: (i) zona no irradiada, zona irradiada con (ii)100, (iii)
150y (iv) 200pulsos. En todos los espectros Raman mostrados en la figura se pueden observar dos picos centrados en70.1 y 97.4 cm−1, los cuales est ´an asociados a modos vibracionales del Bismuto (secci ´on 4.2.1). Estos resultados demuestran que no existe un cambio en la composici ´on qu´ımica del material despu ´es de haber sido irradiado por50,100,150y200pulsos depositados en la pel´ıcula delgada de Bismuto. Es decir, fue posible generar LIPSS libres de ´oxidos. Sin embargo, se puede observar que existe un cambio en la intensidad relativa de los modos vibracionales despu ´es de la irradiaci ´on. En este caso, el modo vibracionalEg tiende a superar en intensidad al modo vibracionalA1g. Este cambio es normalmente asociado a modificaciones en la estructura cristalina del Bismuto.
Por otro lado, los espectros Raman correspondientes aFp ≈19.62mJ/cm2 (Figura 39(b)) pre- sentan el mismo comportamiento descrito anteriormente. En otras palabras, no existe modificaci ´on en la composici ´on qu´ımica en las irradiaciones aFp ≈19.62mJ/cm2.