Applications du traitement des interférences laser (3)

Effets de phase – microstructure lors de la structuration de films

Outre les modifications topographiques physiques périodiques, l'interaction du motif d'interférence laser avec le matériau entraîne souvent des effets métallurgiques tels que transformation de phase, recristallisation, intermétalliqueréactions, etc. Ainsi, une modulation périodique de la microstructure métallurgique (et des propriétés physico-mécaniques dépendantes) peut être obtenue (Daniel et Dahotre 2006). En combinant

Fig. 11.19 (a) Variation de la fraction calculée de matériau fondu (Al et Ni) dans diverses couches à fluence laser, (b) section transversale calculée d'un film multicouche représentant des fractions de matériau fondu (Al et Ni) dans diverses couches(fluence laser de 300 mJ / cm2), (c) Micrographie TEM montrant les couches individuelles d'Al et de Ni après irradiation avec un motif d'interférence laser. (Reproduit de Daniel et al. 2004. Avec autorisation. Copyright Elsevier.)

les propriétés de la région non affectée et de la région irradiée par interférence laser, un film composite de surface peuvent être réalisées.

Sivakov et al. (2005) ont étudié les transformations de phase périodiques induites par interférence laser dans des films d'oxyde de fer dues au dépôt chimique en phase vapeur sur des substrats de silicium. Les transformations de phase périodiques de l'hématite à la magnétite etDes rapports magnétite à wustite ont été rapportés sur la base d'une analyse détaillée de la diffraction des rayons X avant et après l'irradiation par interférence laser.

Il a été suggéré que les transformations de phase réductives d'hématite en magnétite et de magnétite en hématite dans les régions de haute énergie sont induites par la densité de plasma confinée dans l'espace. L'interaction du laser avec les résultats du filmdans la génération du panache de plasma qui empêche l'interaction de l'oxygène avec le

Fig. 11.20 Diagrammes de diffraction des rayons X d'un film d'hématite (a) avant et (b) après irradiation par interférence laser. H et M correspondent respectivement à l'hématite (Fe2O3) et à la magnétite (Fe3O4). (Reproduit de Sivakov et al. 2005. Avecautorisation. Copyright Elsevier.)

Film CVD et facilite ainsi les transformations réductrices. L'énergie nécessaire à de telles transformations périodiques est fournie par les distributions d'intensité modulées dans le diagramme de brouillage incident. La figure 11.20 présente la diffraction des rayons Xmotifs du film d'hématite CVD avant et après l'irradiation par interférence laser. Comme indiqué sur la figure, le pic de magnétite apparaît dans les échantillons de films d'hématite structurés après interaction avec le motif d'interférence laser.

La formation de domaines magnétiques et non magnétiques périodiques dans les films d'oxyde de fer par traitement par interférence au laser offre plusieurs applications (Sivakov et al. 2005).

L'irradiation du motif d'interférence laser peut également initier la formation périodique de composés intermétalliques dans la matrice homogène et ainsi réaliser les surfaces composites avec une résistance élevée aux intermétalliques et une ductilité dematériau de la matrice. Ceci est démontré pour le cas des films Ni – Al déposés sur des tranches de Si. Les films Ni – Al (900 nm d'épaisseur) avec un rapport stoechiométrique de 3: 1 déposé par pulvérisation cathodique à magnétron ont été modifiés par des motifs d'interférence laser.

Sur la base de la diffraction des rayons X, il a été signalé que le NiAl intermétallique se forme dans les zones d’interaction du laser avec le film. De plus, des études de nanoindentation ont montré que la formation de phases intermétalliques périodiques estassocié à la modulation périodique des propriétés mécaniques. La dureté par pénétration dans la plage de 10 GPa est observée dans la zone modifiée au laser (où se produit une réaction intermétallique) par rapport à une dureté moyenne de 4 GPa dans lazones non traitées (Fig. 11.21) (Liu et al. 2003).

Fig. 11.21 (a) Profil de surface AFM, (b) image de nanoindentations dans une région traitée au laser et (c) répartition de la dureté sur une période d'interférence dans un film de 900 nm de Ni – Al irradié avec un motif d'interférence au laser. (Reproduit deLiu et al. 2003. Avec permission. Copyright Elsevier.)

Structuration de biomatériaux

Récemment, le traitement par interférence laser pour modifier la surface des biomatériaux suscite de nombreux intérêts de recherche. Il a été suggéré que la chimie et la topographie des biomatériaux puissent être favorablement modifiées parirradiant avec un motif d'interférence laser pour une interaction cellule-surface améliorée et, par conséquent, une fixation, une propagation et une orientation des cellules à la surface. Les techniques d'interférence pour modifier les surfaces de biomatériauxsont basées sur l'ablation sélective du matériau aux maxima d'interférence, ce qui donne des micropatterns constitués d'arêtes et de rainures bien définies. On s'attend à ce que ces micro-modèles dirigent la croissance cellulaire dans des directions spécifiques(conseils de contact). L’avantage important de cette technique par rapport à la configuration aléatoire est que les micromotifs à la surface des biomatériaux peuvent être efficacement contrôlés aux dimensions souhaitées (périodicité, hauteur,et largeur des lignes ou des points) en contrôlant les paramètres de traitement au laser. En outre, une variété de biomatériaux tels que le métal, la céramique et les polymères peuvent être efficacement modifiés (Li et al. 2003).

La plupart des travaux récemment rapportés sur les études de structure d'interférence de biomatériaux sont limitées à quelques biopolymères. Les paramètres importants des surfaces à motifs d'interférences laser qui devraient avoir une influence surl'adhésion, la croissance et l'orientation des cellules sont l'angle de contact, la dimension de la période, la morphologie (lignes ou points). La figure 11.22 présente l’influence de la fluence laser sur la profondeur du micro-motif et l’angle de contact en épaisseur 100 µmfilm de polycarbonate irradié avec un motif d'interférence laser. Comme indiqué sur la figure, la profondeur du micro-motif augmente et l'angle de contact diminue avec la fluence du laser. Ainsi, la topographie et les caractéristiques de mouillagepeut être modifié par un motif d’interférence laser pour favoriser l’adhésion des cellules (Yu et al. 2005a, b).

Bien que des études approfondies soient rapportées sur la caractérisation des structures d'interférence obtenues dans divers matériaux, très peu d'études ont été rapportées sur l'interaction de cellules avec des surfaces modifiées par laser. Figure 11.23présente les résultats d'une des études sur les réponses des cellules HPF (fibroblastes pulmonaires humains) aux structures linéaires et aux structures ponctuelles obtenues à la surface de films de polycarbonate (PC) par interférence laser à deux faisceaux ou plus. leles cellules cultivées sur les surfaces structurées étaient généralement en forme de fuseau et bipolaires. En outre, comme indiqué sur les photographies à la lumière, les cellules cultivées sur les motifs de lignes montrent une croissance directionnelle parallèle aux lignes, alors que les cellules cultivées surles schémas ponctuels montraient principalement des orientations aléatoires (Yu et al. 2005a).

Pour résumer, le traitement par interférence au laser de matériaux métalliques, polymères et céramiques avancés offre un potentiel énorme pour les applications dans lesquelles une modulation périodique des propriétés et de la topographie est souhaitée. La technologieest encore relativement nouveau et présente diverses pistes de recherche. À ce jour, la plupart des études ont porté sur la caractérisation de modèles périodiques dans divers systèmes et sur l'influence paramétrique des paramètres laser sur la morphologie.et la topographie des structures d'interférence générées sur les surfaces du matériau. La modulation de l'intensité énergétique dans le modèle d'interférence engendre la complexité des effets thermiques, tels que la température inhomogèneles distributions, les gradients de température, les vitesses de refroidissement et les contraintes thermiques. Ces effets thermiques ont une forte incidence sur l’écoulement des fluides, la solidification, le développement de la microstructure, les contraintes thermiques, etc. Une combinaison de modélisation et deLes études expérimentales sur l'interaction laser-matériau au cours du traitement des interférences fourniront des informations supplémentaires sur l'évolution du processus dans les applications émergentes.

Fig. 11.22 Effet de la fluence laser sur (a) la profondeur du micro-modèle de ligne (période 5um) et (b) l'angle de contact après irradiation d'interférence laser avec le laser Nd: YAG Q-switch de 266 nm. (Reproduit de Yu et al. 2005a. Avecautorisation. Copyright American Chemical Society.)

Références 475

Fig. 11.23 Photographies à la lumière montrant des cellules HPF cultivées sur des films de PC structurés par interférence laser: (a) motif de lignes avec une période de 3 heures, (b) motif de lignes avec une période de 9 heures, (c) motif de points avec une période de 5 heures, et (d) pointmotif avec une période de 7um. Tous les substrats ont été recouverts de collagène. (Reproduit de Yu et al. 2005a. Avec autorisation. Copyright American Chemical Society.)