近日，西電杭州研究院先進(jìn)視覺(jué)研究所石理平教授團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)利用飛秒激光脈沖串誘導(dǎo)非晶硅(α-Si)薄膜氧化形成可調(diào)諧納米光柵的最新研究成果，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率、高品質(zhì)、可調(diào)控的飛秒激光誘導(dǎo)自組織微納加工有重要參考意義。
相關(guān)成果以“Burst Laser-Driven Plasmonic Photochemical Nanolithography of Silicon with Active Structural Modulation”為題，發(fā)表Ultrafast Science上。西電杭研院是論文第一完成單位，合作單位還包括德國(guó)洪堡大學(xué)和德國(guó)Max Born研究所。
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傳感器、電腦顯示屏下的發(fā)光二極管等，都朝著更小、更精密的方向發(fā)展，因而對(duì)于精密微納制造的需求也越來(lái)越高。近年來(lái)，
電子束/
離子束刻蝕、光刻、納米壓印等微納加工技術(shù)日漸成熟。然而這些技術(shù)所需的設(shè)備復(fù)雜，成本高昂。
激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)(LIPSS)作為一種自組裝加工技術(shù)，自1965年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直受到業(yè)界廣泛關(guān)注。早期研究表明，飛秒激光燒蝕物體表面可以大批量制備LIPSS，亦即實(shí)現(xiàn)大面積、高通量的周期性納米光刻，可是激光燒蝕產(chǎn)生的碎屑和熱量殘余等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程的可控性、可調(diào)諧性變差。
針對(duì)上述問(wèn)題，發(fā)展非燒蝕性的飛秒激光加工技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、可調(diào)控納米光刻的重要道路之一。前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用飛秒激光誘導(dǎo)表面生成氧化性LIPSS可一定程度提高加工的可控性，但仍難以實(shí)現(xiàn)加工結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。
為此，該研究創(chuàng)新性地使用飛秒脈沖串制備周期性納米光柵，不僅取得了規(guī)則性更佳的納米紋理，還通過(guò)改變單脈沖串脈沖數(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)LIPSS周期和深度的主動(dòng)調(diào)制。
單脈沖加工模式(上)與脈沖串加工模式(下)示意圖
相較于使用重復(fù)單脈沖加工的傳統(tǒng)技術(shù)，飛秒脈沖串中重復(fù)頻率更高的子脈沖會(huì)增加被輻照材料表面的熱累積、影響材料的有效折射率和吸收特性，進(jìn)而讓表面等離激元(SPP)的激發(fā)和傳播也發(fā)生變化，最終改變LIPSS的結(jié)構(gòu)。
不同加工參數(shù)下制備的樣品
通過(guò)改變激光加工參數(shù)(脈沖能量Ep與單脈沖串脈沖數(shù)量n)制備的光柵樣品，由所示樣品可以發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)選擇n的數(shù)值，脈沖串加工模式帶來(lái)的熱累積不僅會(huì)使LIPSS更易生成還會(huì)保證其紋理規(guī)則性。當(dāng)然也要注意n值過(guò)大時(shí)，樣品表面會(huì)過(guò)度氧化甚至燒蝕。
(A)LIPSS沿x方向的相對(duì)高度；(B)LIPSS的調(diào)制深度；(C)周期與單脈沖串脈沖數(shù)的關(guān)系；(D)LIPSS的周期與激光脈沖能量的關(guān)系
飛秒脈沖串對(duì)LIPSS周期與調(diào)制深度的影響：二者變化趨勢(shì)類似，均隨每一脈沖串所含脈沖數(shù)目n的增加而線性增長(zhǎng)。
不過(guò)，當(dāng)n值過(guò)大時(shí)，LIPSS周期與調(diào)制深度便不再增長(zhǎng)，其中調(diào)制深度甚至還出現(xiàn)略微下降的情況。這或許是由于熱量過(guò)度累積，損害了LIPSS的生成。作為對(duì)照，單脈沖加工模式下依靠改變脈沖能量幾乎無(wú)法調(diào)制LIPSS的周期。
(A,C和D)LIPSS的SEM圖；(B)氧、銅和硅的二維EDX圖
為了更全面、真切地洞悉LIPSS的真實(shí)面貌，由掃描電鏡(SEM)與能量色散譜儀(EDX)觀測(cè)的樣品圖像共同反映出：實(shí)驗(yàn)所得LIPSS是由大量被氧化的納米顆粒組成，并且納米顆粒的尺寸也會(huì)隨單脈沖串脈沖數(shù)增加而增加。
大面積加工制備的LIPSS
最后，為了演示上述工藝應(yīng)用于大面積納米光刻的可行性，團(tuán)隊(duì)使用柱透鏡聚焦、加工了大面積的納米光柵，兩種加工模式下制備的光柵均有很好的規(guī)則性，可見(jiàn)脈沖串加工模式帶來(lái)的額外熱累積在大面積加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。
該研究表明使用飛秒激光脈沖串可以制備具有可控周期和調(diào)制深度的高質(zhì)量周期性納米光柵，這種新穎的加工方法可以應(yīng)用于大面積的納米紋理制造，這對(duì)于微納加工領(lǐng)域是一個(gè)重要突破，同時(shí)也為更高效和更高質(zhì)量的納米制造工藝奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于整個(gè)光電子產(chǎn)業(yè)而言其都具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力！
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