修改纳米结构的表面机械研磨处理（SMAT）方法和系统

摘要

本发明描述了用于对包括薄膜、纳米材料和其它精细和脆性材料的多种类型的材料的表面进行表面机械研磨处理(SMAT)的系统和方法。在一个方案中，将材料的表面修改为改性表面并且从初始状态修改为改性状态，其中改性状态包括物理改性、化学改性或生物改性。在另一个方案中，在定义持续时间将表面机械研磨处理(SMAT)应用于该材料的改性表面，其中与SMAT相关的条件基于该材料的结构组分被调节。在又一个方案中，基于SMAT将定义应变施加至该材料的结构组分上。本发明提供的系统和方法能够在精细材料的表面上产生应变和缺陷并且改善这些材料的功能。

说明书

技术领域

本公开文本通常涉及用于在一系列材料的表面诱发应变的表面机械研磨处理(SMAT)方法。

背景技术

近来，材料科学学科在材料表面工程领域已经展示出了一系列进展。其中一项进展涉及被称为表面机械研磨处理(SMAT)的机理。SMAT通过使多个球与材料的表面碰撞来实现，导致表面缺陷和材料应变的产生。虽然现有SMAT方法能够实现材料缺陷，此类缺陷使材料的表面以及较深的次表面材料层的变形。然而，现有SMAT方法不能在精细(delicate)材料的表面上诱发应变。

遗憾的是，现有SMAT和掺杂方法(诸如高能量SMAT和球磨工艺)通过以集中和破坏性的方式对材料冲击实现材料掺杂或应变，它们对于在薄膜或其它精细结构(例如，纳米结构)的表面上产生应变是没有成效的。相反，现行SMAT方法引起的应变贯穿体材料的整体，而不仅是这些材料的表面。诸如利用弯曲工艺实现材料应变的方法等其它掺杂方法也不能实现精细材料的掺杂或表面应变，并且经常导致不理想的后果，诸如使经处理的膜弯曲、在材料上产生剪切应变或使膜从基板分层。因此，亟需一种技术和工艺，克服不能够在诸如薄膜和纳米结构等精细材料上施加表面应变的问题。此外，需要一种以有效成本大规模生产的方法，其在脆性材料中产生表面应变的方法具有需求。

涉及用于各种材料的SMAT方法的上述背景技术仅意图提供对SMAT方法及其现有限制的背景概述，并不意图是穷尽的。经查看以下详细描述，关于传统SMAT方法的其它背景可以变得更加显而易见。

发明内容

本文提供简化的发明内容，以帮助能够对以下更加详细地描述和附图中的示例性、非限制性的实施例的各个方面进行基本的或一般的理解。然而，该发明内容并不意图是广泛的或穷尽的概述。相反，该发明内容的目的是以简化的形式呈现与一些示例性的非限制性实施例相关的一些概念作为以下本公开文本的各个实施例的更加详细说明的前序。

本文描述了在诸如薄膜或纳米结构等的精细或脆性材料的表面上提供功能性、提供掺杂并诱发应变的系统、方法、制品以及其它实施例或实施方式。在一实施例中，提供了一种系统，包括：阳极化组件、加热组件、腔室组件以及超声波振动发生器组件。在一个方案中，阳极化组件使电流通过材料的表面以使该材料的表面阳极化。在另一个方案中，加热组件向该材料的表面施加根据定义温度的热量。此外，在一个方案中，腔室组件包括材料容置部、容器部以及超声波振动发生器组件。

在一个方案中，材料容置部被连接至腔室组件的顶棚并且材料容置部固定该材料，其中该材料的表面面向腔室组件的底板，容器部被连接至腔室组件的底板，其中容器部包括一组球，其中超声波振动发生器组件被连接至容器部，其中超声波振动发生器组件包括将功率流转换成电信号的发电机组件、将电信号转换成振荡波的转换器(convertor)组件以及发出与振动频率对应的振荡波的变幅杆(horn)组件，振荡波冲击该组球，导致该组球分散散布，并且该组球以定义速度与该材料的表面碰撞。

在另一实施例中，公开了一种方法，包括：将阳极化处理应用于材料的表面，将热处理应用于该材料的表面；将表面机械研磨处理(SMAT)应用于该材料的表面，其中SMAT包括：在该材料的表面与超声波变幅杆之间布置球，超声波变幅杆被连接至超声波换能器，超声波换能器被配置为将电信号转换成振荡波，其中超声波变幅杆被配置为发出振荡波；通过超声波变幅杆发出表示频率水平的振荡波；基于振荡波与球之间的接触诱发球的移动；以及基于诱发的球的移动使球与该材料的表面碰撞，其中该碰撞将该材料的表面更改为包括材料应变、表面变形、贯穿该材料的压缩应力或表面的压痕的至少之一。

为了实现上述和有关目的，公开主题包括下文充分描述的特征。以下说明和附图具体列出多个特定示例性方案。然而，这些方案表明了可以采用本公开主题的原理的各种方式中的多个。通过以下结合附图考虑的详细说明，其它方案、优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

参考下列附图来描述公开主题的非限制性和非穷尽的实施例，其中除非另有规定，否则各附图中相似的附图标记表示相似的部件。

图1A示出示例SMAT系统的非限制性示意框图，该示例SMAT系统包括阳极化组件、加热组件、腔室组件以及超声波发生器组件。

图1B示出示例SMAT系统的非限制性示意框图，该示例SMAT系统包括腔室组件、材料容置部、容器部、超声波振动发生器组件、变幅杆组件、转换器组件以及发电机组件。

图2示出示例SMAT系统的非限制性示意框图，该示例SMAT系统包括阳极化组件、加热组件、腔室组件、超声波发生器组件以及修改组件。

图3示出示例SMAT系统的非限制性示意框图，该示例SMAT系统包括阳极化组件、加热组件、腔室组件、超声波发生器组件、修改组件以及控制器组件。

图4示出示例SMAT系统的非限制性示意框图，该示例SMAT系统包括阳极化组件、加热组件、腔室组件、超声波发生器组件、修改组件以及控制器组件。

图5示出使用SMAT掺杂材料的表面的非限制性示例方法。

图6示出使用SMAT掺杂材料的表面的非限制性示例方法。

图7示出使用SMAT掺杂材料的表面的非限制性示例方法。

图8示出使用SMAT掺杂材料的表面的非限制性示例方法。

图9示出使用SMAT掺杂材料的表面的非限制性示例方法。

图10示出使用SMAT掺杂材料的表面的非限制性示例方法。

具体实施方式

在以下说明中，阐明了众多的具体细节，以对于各个实施例提供透彻的理解。然而，相关技术领域的技术人员将认识到本文描述的技术能够在不使用一个或多个具体细节的情况下得以实施，或者能够利用其它方法、组件、材料等来实施。在其它例子中，并未具体示出或描述熟知的结构、材料或操作，以避免使特定方案不清晰。

本说明书中提及的“一个实施例”或“一实施例”表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，本说明书中各地方出现的短语“在一个实施例中”、“在一个方案中”或“在一实施例中”不一定全部涉及相同的实施例。而且，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以按照任何适当的方式结合。

如本文所使用的，术语“组件”、“系统”、“接口”等，意图指具有由电路或电子电路所操作的机械部件提供的特定功能的设备；该电路或电子电路能够被一个或多个处理器所执行的软件应用或固件应用操作；该一个或多个处理器能够位于该设备的内部或外部并能够执行软件应用或固件应用的至少一部分。作为再一个示例，组件可以是通过无机械部件的电子组件提供特定功能的设备；该电子组件中能够包括一个或多个处理器以执行至少部分给出电子组件的功能的软件和/或固件。在一方案中，组件能够经由虚拟机例如在云计算系统内仿真电子组件。

本文使用词语“示例性的”和/或“说明性的”意思是作为示例、例子或例证。为免生疑问，本文公开的主题不限于这种示例。另外，本文描述为“示例性的”和/或“说明性的”的任何方案或设计不一定被解释为其相对于其它方案或设计是优选的或有利的，也不意味着将本领域普通技术人员已知的等同的示例性结构和技术排除。而且，在这个意义上，在详细的描述中或在权利要求书中使用术语“包括”、“具有”、“含有”和其它类似的词语，以与作为开放性承接词的术语“包含”类似的方式，这种术语旨在是包容性的，而不排除任何额外或其它的元件。

作为本文提出的各个实施例的概述，为了纠正现有SMAT工艺的上述不足和其它缺点，本文描述各个实施例以经由所公开的SMAT方法来促进诸如薄膜或纳米材料等脆性和精细材料的表面上的掺杂、功能化或产生结构应变。所公开的SMAT系统和方法描述功能性的SMAT工艺以实现对材料表面的定制的结构修改。例如，所公开的SMAT系统和方法促进SMAT参数的更改和微调以在材料的表面上产生结构缺陷，该缺陷的范围能够从极度缺陷(处于毫米至亚毫米范围的缺陷)到非常小的缺陷(沿以微米至亚微米范围观察到的晶格面施加结构应变)。

常规SMAT工艺是机械技术，不能为在非常微细范围内的精细材料的表面上产生应变提供条件或工艺。所公开的SMAT方法能够在体材料的表面产生应变，而不影响体材料较深的层。而且，SMAT对材料表面引入了增强材料的性能和特性的缺陷、变形以及改性。例如，SMAT方法能够在目标材料的表面层引入缺陷并产生晶格应变，从而功能化并增强表面层的电荷捕获性能。这些改善能够增强材料执行具体功能的能力，诸如光催化，其是一系列应用要求的核心功能，这些应用包括，但不限于：太阳能电池、基于太阳能的供水消毒装置、自身灭菌基于光催化的涂层、各种水分解技术以及超级电容器技术。因此，所公开的主题描述了SMAT工艺以及使用SMAT在精细材料的表面上产生应变和缺陷以及改善这些材料的功能的有利影响。

现在参照图1A，示出了示例SMAT系统100A的示意图。在一个方案中，系统100A采用：阳极化组件110，使电流通过材料的表面以使该材料的表面阳极化；加热组件120，向该材料的表面施加根据定义温度的热量；以及腔室组件130，包括材料容置部132、容器部134以及超声波振动发生器组件140，其中材料容置部132被连接至腔室组件130的顶棚并且材料容置部132固定该材料，其中该材料的表面面向腔室组件130的底板，其中容器部134被连接至腔室组件130的底板，其中容器部134包括一组球，其中超声波振动发生器组件140被连接至容器部134，其中超声波振动发生器组件140包括将功率流转换成电信号的发电机组件146、将电信号转换成振荡波的转换器组件144以及发出与振动频率对应的振荡波的变幅杆组件142，其中振荡波冲击该组球，导致该组球分散散布，并且其中该组球以定义速度与该材料的表面碰撞。

SMAT系统100A描述了材料表面的SMAT，其中该材料能够是任何类型的材料。该材料能够在性能、物理成分、尺寸以及形状上发生变化。例如，该材料能够是薄膜材料、纳米材料、电荷捕获材料、纳米结构材料或金属氧化物材料。该材料能够是以特定方式处理的材料(诸如阳极化材料等)。例如，该材料能够是经由常规工艺从使金属基板阳极化得到的阳极氧化物材料。阳极化材料也能够包括在金属基板上生长的氧化物纳米管的表面层。同样地，在一个方案中，阳极化组件110能够使用许多阳极化工艺使该材料的表面阳极化，这些工艺包括，但不限于，硫酸阳极化工艺、草酸阳极化处理、磷酸阳极化处理以及其它此类工艺。在一个方案中，阳极化组件110能够进行其它处理技术(替代阳极化)以使该材料结构化。例如，阳极化组件110能够进行材料的物理气相沉积处理以在该材料上沉积薄膜。在另一个方案中，阳极化组件110能够使用一系列涂布技术涂布材料，这些技术包括，但不限于，蒸发沉积、脉冲激光沉积、溅射淀积、阴极电弧沉积以及其它此类涂布工艺。

在另一个方案中，系统100A能够采用向该材料或阳极化材料施加热量的加热组件120。在一个方案中，向该材料施加热量能够更改该材料或阳极化材料的物理或化学性能。在该材料被阳极化之前、在该材料被阳极化之后或甚至不使该材料阳极化的情况下，能够将热处理应用于该材料。用热量进行处理能够通过在材料表面上诱发晶体结构的形成而影响该材料，从而提高该材料的电化学性能。在一个方案中，该材料在阳极化之前的热处理能够减慢在阳极化期间膜厚度的生长。在另一个方案中，加热组件120能够向该材料或阳极化材料应用任何类型的热处理技术，这些技术包括退火、表面硬化、沉淀强化、回火或淬火。而且，向该材料的表面施加的热量能够被调节到定义温度以带来各材料的定制特性。

在又一个方案中，系统100A能够采用包括材料容置部132、容器部134以及超声波振动发生器组件140的腔室组件130。参见图1B，示出了系统100B的非限制性实施例，系统100B示出了非限制性实施例中的腔室组件130和超声波振动发生器组件140。腔室组件130是包含与SMAT相关的元件的外壳。该腔室能够采取一系列形状，诸如圆柱形、立方体形、圆锥体形、球形、金字塔形、长方体形、三棱柱形、六角柱形、半球形、十二面体形、不规则三维形状、平顶三维形状或其它预定的三维形状。在一实施例中，该腔室能够采取包括长度、宽度、高度以及体积的矩形的形状。在一个方案中，腔室组件130能够是包括底板、顶棚和四个侧壁的矩形平行六面体。在一个方案中，材料容置部132被连接至矩形平行六面体的顶棚，其中容置部132将该材料固定在适当的位置，使得该材料的表面面向腔室组件130的底板。

而且，在一个方案中，该腔室的底板被连接至包括一组球的容器部134。在一个方案中，该组球能够由各种材料组成，诸如金属(例如，钢、铬、铝等)、不锈钢、燧石、钨、橡胶、玻璃、陶瓷或塑料。而且，该组球能够被涂布有专门的工程材料或由其组成，该材料用在样品上的沉积中。在另一个方案中，这些球能够在尺寸和形状(例如，球形的球、月食形(eclipse)的球、圆柱形的球、球锥体等)上发生变化。该组球被用作通过冲击材料表面促进材料的掺杂的工具。该组球被容纳在容器部134中，并且容器部134被连接至超声波振动发生器组件140。

在一个方案中，超声波振动发生器组件140包括将功率流转换成电信号的发电机组件146、将电信号转换成振荡波的转换器组件144以及发出与振动频率对应的振荡波的变幅杆组件142。超声波振动发生器组件140包括各种元件，诸如电源(例如，发电机组件146)、转换器(例如，转换器组件144)、增压器以及变幅杆(例如，变幅杆组件142)等。在一个方案中，发电机组件146将电能流转换成更高能量的电信号。例如，电源能够提供测量为40-60赫兹(Hz)的电力并且将该电力转换成测量为10-50千赫(kHz)的电能。在另一个方案中，发电机组件146能够将交流电压转换成电能。

超声波发生器组件140的另一个元件能够是转换器组件144，转换器组件144将来自电源的电能(例如，发电机组件146产生的电能)转变为机械振动。转换器组件144能够包括响应来自电能(例如，来源于发电机组件146)的刺激以谐振频率膨胀和收缩的材料(例如，锆钛酸铅材料)。在另一个方案中，超声波发生器组件140包括将机械振动能量从转换器组件144传递到外部环境的变幅杆组件142(例如，超声波变幅杆)。当超声波变幅杆组件142以谐振频率发出振动(例如，从变幅杆和机械振动能量的特性得到的频率)时，变幅杆的两端沿相反的方向延长和缩短。从变幅杆发出的振动波的振幅能够基于变幅杆的材料成分、变幅杆组装的类型(例如，形成超声波发生器组件140的焊接变幅杆配件或用桩固定的(staked)组件配件)以及变幅杆的形状而变化。

当变幅杆142发出与振动频率对应的振动或振荡波时，振荡波冲击该组球，导致该组球散布在腔室组件130内。在一个方案中，材料容置部132被连接至腔室组件130的顶棚并且材料容置部132将该材料固定在适当的位置，使得该材料的表面面向腔室组件130的底板。而且，散布的该组球以定义速度与该材料的表面碰撞，并且这种碰撞冲击该材料的静止(例如，被材料容置部132固定住的)表面，从而在该材料的表面上掺杂并产生缺陷。该组球与该材料的表面的冲击产生改善该材料的功能的应变(诸如晶格应变等)。而且，在一个方案中，该材料的表面的掺杂能够基于系统100A条件或特征的调节而被调整和定制。

例如，腔室的形状或腔室的尺寸能够被调节以产生容置系统100A组件的较小的、较大的或变化的物理环境。在一个方案中，如果腔室组件130是球形，与在长方体形腔室组件130中产生的冲击的角度和速度相比，该组球冲击材料表面的角度和速度能够变化。在另一个方案中，该组球的材料成分结合振荡波的振动频率能够影响系统100A条件，诸如该组球的质量、该组球与该材料的表面碰撞的速率、该组球移动的速度等。在一个方案中，系统100A能够以较低的功率应用SMAT，其能够按比例缩小以在薄膜和其它脆性材料的表面处转变晶格形成和晶体取向。

而且，在一个方案中，该组球能够被涂布使得该组球用作功能结构的载体以使该材料的表面功能化。例如，该组球能够被涂布有用于掺杂该材料的表面的活性金属(诸如Fe、W、V或Cr)。这些活性金属能够经由SMAT工艺将光催化性能灌输至该材料的表面。在另一个例子中，光催化非金属能够被涂布在该组球上，用于掺杂该材料的表面，此类非金属包括N、P或S。而且，在一个方案中，加热组件120能够向材料表面应用热处理(以较低的温度，这是由于SMAT处理利用了涂布)，其能够将沉积的材料(例如，金属、非金属等)吸收贯穿该材料的结构。在一个方案中，所公开的SMAT掺杂工艺能够在纳米材料的表面上产生功能材料表面。在一实施例中，SMAT工艺能够在材料表面中产生增加的应变以及掺杂剂(例如，如铁)的包含。

该工艺的好处包括通过实现诸如球速度(例如，能够实现使该组球散布的低速度)、冲击力(例如，能够通过调节系统100A的条件来调整这些球冲击该材料的表面的力)等工艺参数而在脆性和精细材料的表面上施加应变以及控制该组球的分散速度的能力。作为实际好处，与超净间和十分复杂的控制系统以及真空装置的需求截然相反，实施处理脆性材料和薄膜材料的SMAT方法仅要求周围条件。而且，该工艺能够以较大的规模实施从而以高均匀性来制造薄膜材料(具有表面掺杂剂)，其进一步有益于材料供应商力图开发与具有掺杂表面的精细材料(例如，展现了光催化特性)的大量生产相关的规模经济。在另一个方案中，系统100A能够提供从二维或三维模型(诸如丝管式(wire and tube)技术模型)得到的定制材料结构。因此，系统100A能够被应用于大范围的基板膜材料，因此是多用途的工艺。

为了强调系统100A对于材料表面的好处，系统100A被实施以有效地从阳极化的Ti基板产生功能性的TiO₂。实施系统100A的结果是已经显示出功能TiO₂展示出了以下性能：与一般产生的光敏阳极TiO₂相比光催化活性增大；已经被成功掺杂铁的TiO₂；与由阳极产生的TiO₂的一般光敏样品所实现的带隙相比，带隙减小(例如，在该材料的表面诱发应变的系统100A的工艺中展示出，还在该材料的表面诱发应变和功能化的系统100A的工艺中展示出)；以及与一般产生的光敏阳极TiO₂相比，使用系统100A产生的TiO₂分解水分子的的能力得到改善。在另一个方案中，系统100A在材料表面产生提供有效的抗菌性能的TiO₂时是有效的。而且，在一个方案中，系统100A在产生TiO₂时是有效的，其能够改善超级电容器电极的功能。系统100A产生的TiO₂的另一个有益用途是产生能够减少工业染料的功能性TiO₂。

现在参见图2，示出了示例非限制性系统200的示意图，系统200还包括调节腔室形状的维度以实现定义速度的修改组件210。在一个方案中，腔室组件130能够采取如上所述的各种类型形状的形式。各种腔室形状能够影响该组球与该材料的表面碰撞的速度。在一个方案中，该组球能够基于腔室组件130的形状和维度以不同角度和不同速度弹离壁。而且，该组球与该材料的表面之间的冲击力和冲击速度也能够受到此类腔室形状的修改(例如，使用修改组件210)的影响。而且，影响这些球的速度以及所导致的与该材料的表面的碰撞的能力导致表面功能化的定制、诱发的表面应变、受影响的晶格结构以及理想的表面掺杂。

现在参见图3，示出了示例非限制性系统300的示意图，系统300还包括分别将振动频率或功率流调整为相应频率水平或功率水平的控制器组件310。在一个方案中，超声波振动发生器组件140包括将功率流转换成电信号的发电机组件146、将电信号转换成振荡波的转换器组件144以及发出与振动频率对应的振荡波的变幅杆组件142。从而，该振动频率诱发该组球以定义速度的移动、散布的形成以及分散的水平(以及分散的速度)。在一个方案中，控制器组件310允许通过调节超声波发生器组件140的元件来调整振动频率。

例如，控制器组件310能够向发电机组件146输出信号以控制向转换器组件144发送的功率的频率水平。而且，在一个方案中，控制器组件310能够控制转换器组件144将电信号转换成振荡波所利用的转换规模。而且，控制器组件310能够将信号发送到发电机组件146以触发警报、中断电信号的发送或调节输出到转换器组件144的功率。在另一个方案中，控制器组件310能够基于超声波振动发生器组件140的实施例对由超声波振动发生器组件140发出或转换的振动频率或功率水平分别具有变化的影响。

在一个方案中，超声波振动发生器组件140的变幅杆组件142能够是任何类型的超声波变幅杆，诸如钟形变幅杆、杆形变幅杆、悬链曲面切割变幅杆(catenoidal cutting horn)、复合超声波变幅杆、指数形变幅杆、插入式变幅杆、圆形超声波变幅杆、调整的螺栓型(bolt-style)变幅杆、真空变幅杆、十字形变幅杆、波形变幅杆、焊接变幅杆、elbert变幅杆、增压器变幅杆、全波变幅杆、旋转变幅杆、换衡器(balun)变幅杆、侧倾斜变幅杆、端部倾斜变幅杆或环形槽变幅杆。每一个变幅杆能够影响以不同方式发出的振动频率。例如，通过改变变幅杆的质量比或通过更改变幅杆接收的信号的输入振幅，变幅杆发出的振动波的振幅能够被增大或减小。而且，变幅杆振幅也能够基于变幅杆几何形状、变幅杆设计以及变幅杆的材料成分而变化。因此，控制器组件310能够基于包括超声波振动发生器组件140的多个组件(例如，变幅杆组件142)影响超声波振动发生器组件140发出的振动频率。

现在参见图4，示出了示例非限制性系统400的示意图，系统400还包括调节腔室组件130内的大气条件的大气组件410，其中大气条件包括温度、压力、气候或大气化学成分的至少之一。在一个方案中，腔室组件130内的条件能够被调节(例如，使用大气组件410)以影响材料表面的SMAT。在一例子中，大气组件410能够调节腔室组件130内的温度、湿度、压力水平、气流、大气成分以及光发射。通过调节腔室组件130内的大气和环境条件，大气组件410能够影响腔室组件130内的SMAT工艺。例如，材料表面的功能化或掺杂可以基于进入腔室组件130的光的多少被增强或减弱。此外，在一个方案中，对于腔室组件130内的压力水平的调节能够影响特定例子中该组球与材料表面之间的冲击力。额外地，取决于材料的类型和成分，通过调节腔室组件130内的温度条件，化学或物理性能可能发生改变。因此，大气组件410进一步促进SMAT工艺的定制以及其对各种材料的功能化或掺杂的影响。

现在参见图5-图10，示出了根据本公开文本的某些方案的方法或流程图。尽管为了解释起来简便，所公开的方法被示出并描述为一系列的动作，然而所公开的主题不限于动作的顺序，因为一些动作可以以不同顺序出现和/或与本文示出并描述的其它动作同时出现。例如，本领域技术人员将理解并认识到方法能够被可选择地表示为一系列相关状态或多个事件，诸如在状态图中。而且，根据公开主题，并不是所有示出的动作对于实施方法都是必需的。

现在参见图5，展示了根据实施例的本说明书中公开的各种材料的表面上的SMAT的方法500的非限制性示例的流程图。在框502，在材料的表面上产生多孔纳米结构。在框504，将表面机械研磨处理(SMAT)应用于该材料的表面。在框506，SMAT包括在该材料的表面与超声波变幅杆之间布置球，超声波变幅杆被连接至超声波换能器，超声波换能器配置成将电信号转换(例如，使用转换器组件144)成振荡波，其中超声波变幅杆被配置为发出(例如，使用变幅杆组件142)振荡波。在框508，SMAT还包括通过超声波变幅杆发出(例如，使用变幅杆组件142)表示频率水平的振荡波。在框510，SMAT还包括基于振荡波与球之间的接触诱发球的移动。在框512，SMAT还包括基于诱发的球的移动使球与该材料的表面碰撞，其中该碰撞将该材料的表面更改为包括材料应变、表面变形、贯穿该材料的压缩应力或表面的压痕中的至少之一。

现在参照图6，展示了根据实施例的本说明书中公开的各种材料的表面上的SMAT的方法600的非限制性示例的流程图。在框602，在材料的表面上产生多孔纳米结构。在框604，将表面机械研磨处理(SMAT)应用于该材料的表面。在框606，SMAT包括在该材料的表面与超声波变幅杆之间布置球，超声波变幅杆被连接至超声波换能器，超声波换能器配置成将电信号转换(例如，使用转换器组件144)成振荡波，其中超声波变幅杆被配置成发出(例如，使用变幅杆组件142)振荡波。在框608，SMAT还包括通过超声波变幅杆发出(例如，使用变幅杆组件142)表示频率水平的振荡波。在框610，SMAT还包括基于振荡波与球之间的接触诱发球的移动。在框612，SMAT还包括基于诱发的球的移动使球与该材料的表面碰撞，其中该碰撞将该材料的表面更改为包括材料应变、表面变形、贯穿该材料的压缩应力或表面的压痕中的至少之一。在框614，SMAT还包括调整与碰撞对应的冲击水平(例如，控制器组件310)，其中该冲击水平基于与诱发的移动相关的能量水平以及与碰撞相关的功率水平。

现在参照图7，展示了根据实施例的本说明书中公开的各种材料的表面上的SMAT的方法700的非限制性示例的流程图。在框702，将材料的表面修改为改性表面并且从初始状态修改为改性状态，其中该改性状态包括物理改性、化学改性或生物改性。在框704，在定义持续时间将表面机械研磨处理应用于该材料的改性表面，其中与SMAT相关的条件基于该材料的结构组成被调节。在框706，基于SMAT将定义应变施加在该材料的结构组成上。

现在参照图8，展示了根据实施例的本说明书中公开的各种材料的表面上的SMAT的方法800的非限制性示例的流程图。在框802，将材料的表面修改为改性表面并且从初始状态修改为改性状态，其中该改性状态包括物理改性、化学改性或生物改性。在框804，在定义持续时间将表面机械研磨处理(SMAT)应用于该材料的改性表面，其中与SMAT相关的条件基于该材料的结构组成被调节。在框806，基于SMAT将定义应变施加在该材料的结构组成上。在框808，与定义持续时间对应的时间段产生该材料的表面的相应水平的掺杂。

现在参照图9，展示了根据实施例的本说明书中公开的各种材料的表面上的SMAT的方法900的非限制性示例的流程图。在框902，将材料的表面层功能化，其中该材料包括表面层和基板层。在框904，将该材料固定(affixed)在包括容器的腔室中，该容器包括一组球和超声波振动力。在框906，将超声波振动力施加至该组球。在框908，使该组球与该材料的表面层碰撞。在框910，基于该碰撞在该材料的表面层上产生缺陷并且产生基本上贯穿该材料的结构应变。

现在参照图10，展示了根据实施例的本说明书中公开的各种材料的表面上的SMAT的方法1000的非限制性示例的流程图。在框1002，将材料的表面层功能化，其中该材料包括表面层和基板层。在框1004，将该材料固定在包括容器的腔室中，该容器包括一组球和超声波振动力。在框1006，将超声波振动力施加至该组球。在框1008，该组球涂布有能够基于该组球与该材料的表面层之间的碰撞将该材料的表面层功能化的第一材料。在框1010，该组球与该材料的表面层碰撞。

鉴于上述示例性系统和方法，可以根据描述的主题实施的方法将参考各附图的流程图被更好地理解。尽管为了解释起来简便，方法被示出并描述为一系列的方框，将理解并认识到要求保护的主题不限于这些方框的顺序，例如，一些方框可以以不同顺序出现和/或与本公开文本示描写并描述的其它方框同时出现。非时序或分支的流程经由流程图被示出，能够认识到这些方框的各种其它分支、流程路径以及顺序可以被实施，其实现相同或类似的结果。而且，并不是所有示出的方框对于实施下文描述的方法都是必需的。

除了本公开文本中描述的各个实施例，应理解其它类似的实施例能够被使用，或能够对于描述的实施例作出用于执行相应实施例的相同或等效功能的修改和添加，而不从其偏离。因此，该发明不限于任何单个实施例，而是能够根据所附权利要求在广度、精神和范围中被理解。

另外，术语“或”意图表示包容性的“或”而不是排它性的“或”。即，除非另有规定或从上下文清楚看出，否则“X采用A或B”意图表示自然包容性排列的任何一种。即，如果X采用A，X采用B或X采用A和B，则在前述例子的任何一种条件下满足“X采用A或B”。而且，主题说明书和附图中使用的冠词“一”和“一个”通常应当被理解为表示“一个或多个”，除非另有规定或从上下文清楚看出其是指单数形成。

上文所描述的包括提供创新主题的优点的系统和方法的示例。当然，为了描述要求保护的主题，对多个组件或多个方法的每种可能的组合的描述是不可能的，然而，本领域普通技术人员可以认识到本文描述的各个实施例的另外的组合和排列是可能的。而且，在这个意义上，在详细的描述、权利要求书、附件和附图中使用术语“包括”、“具有”、“含有”等，当在权利要求中用作承接词来解释“包含”时，以与“包含”类似的方式，这些术语旨在是包容性的。