Three-dimensional carbon fiber networks with self-orienting nano-textures enabled by femtosecond laser processing

飞秒 材料科学 纳米- 激光器 光纤激光器 材料加工 纳米技术 光电子学 碳纤维 光学 纤维 复合材料 复合数 物理 制造工程 工程类
作者
Shuichiro Hayashi,Amelia Sanchirico,Ankit Das,Craig B. Arnold
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:126 (4) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0231407
摘要

Here, an interconnected three-dimensional (3D) network of carbon fibers possessing nano-scaled ripples, or laser-induced periodic surface structures (LIPSS), is fabricated via laser processing with an 800-nm femtosecond laser. The unique architecture of the CF network realizes the coexistence of both ∼800-nm low-spatial frequency LIPSS (LSFL) and ∼100-nm high-spatial frequency LIPSS (HSFL) overlapping on the same fiber surface. It is suggested that LSFL formed through the interference with Fresnel diffraction patterns projected by the fiber edges, while HSFL formed through LSFL-splitting assisted by surface plasmons. Moreover, the fundamentally different formation mechanisms of the two types result in distinctively different LIPSS orientations, where the LSFL is structure-dependent and self-orients according to the fiber propagation direction, while the HSFL is structure-independent and self-orients perpendicularly to the polarization direction of the incident pulses. The findings not only introduce an optical approach to prepare nano-textured carbon materials for future energy and regenerative-medicine applications but also reveal important insights into the underlying formation mechanisms of LIPSS on complex three-dimensional surfaces.

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