Highly-regular laser-induced periodic surface structures: modelli, metodi ed applicazioni

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.