日本理化學(xué)研究所(RIKEN)研究人員創(chuàng)造了GHz飛秒激光脈沖在晶體硅的表面形成獨(dú)特表面結(jié)構(gòu)，其研究成果發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心(RAP)的一個(gè)項(xiàng)目演示了飛秒源如何在GHz頻率下在硅襯底上創(chuàng)建獨(dú)特的二維激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)。這種新方法比簡(jiǎn)單的燒蝕工藝創(chuàng)造了更復(fù)雜的表面納米結(jié)構(gòu)，而燒蝕工藝一直是研究改變?cè)S多表面性能的焦點(diǎn)。

GHz飛秒激光脈沖由一系列脈沖間隔為幾百皮秒的超短激光脈沖組成，大多數(shù)使用GHz飛秒激光脈沖的研究都集中在材料的燒蝕上，以實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量地去除材料。在本研究中，研究人員研究了GHz飛秒激光在硅表面形成激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)的處理能力。研究人員發(fā)現(xiàn)GHz飛秒激光器創(chuàng)建了獨(dú)特的二維(二維)LIPSS。研究人員認(rèn)為二維LIPSS的形成機(jī)制是電磁機(jī)制和流體動(dòng)力機(jī)制的協(xié)同所形成。具體來(lái)說(shuō)，在一維LIPSS的納米溝槽內(nèi)，通過(guò)后續(xù)脈沖的局部表面等離子體共振產(chǎn)生具有高度增強(qiáng)電場(chǎng)的熱點(diǎn)，從而形成二維LIPSS。

激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)是在固體材料表面通過(guò)多次線偏振激光脈沖照射而形成的自組織微納米結(jié)構(gòu)。LIPSS的周期和方向等特性取決于脈沖寬度、激光通量(脈沖能量)、激光偏振方向、激光波長(zhǎng)、激光脈沖數(shù)和材料類型。LIPSS可以制備在各種類型的固體材料表面，包括金屬、半導(dǎo)體和聚合物。飛秒激光常產(chǎn)生周期小于波長(zhǎng)一半的LIPSS，稱為高空間頻率LIPSS。此外，LIPSS的制造不需要任何特殊的環(huán)境，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的非接觸激光照射方案進(jìn)行，這有利于工業(yè)應(yīng)用。

Giannuzzi等人用GHz脈沖模式在不銹鋼上演示了LIPSS的形成，顯示出與單脈沖模式相似的LIPSS的形成。 本文利用GHz飛秒激光脈沖在硅上形成LIPSS，通過(guò)與單脈沖模式相比，展示了GHz形成獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)的能力，并討論了可能的形成機(jī)制。

圖1：使用GHz飛秒激光脈沖形成LIPSS的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2:利用飛秒激光脈沖(a)， (f)單脈沖模式和(b) - (e)， (g) - (j) GHz在P為2到10的不同脈沖內(nèi)的硅表面上制備的微/納米結(jié)構(gòu)的SEM圖像。飛秒激光脈沖爆發(fā)的時(shí)間間隔為205皮秒， (a) - (e)和(f) - (j)的脈沖數(shù)N分別為50和200。每幅圖像下方顯示了產(chǎn)生LIPSS的脈沖的影響。

研究人員推測(cè)，二維LIPSS的形成歸因于局部表面等離子體共振(LSPR)在一維LIPSS的納米溝槽中產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”。當(dāng)光束照射在金、銀等金屬的一維LIPSS上時(shí)，由于LSPR的作用，在一維LIPSS的納米溝槽中產(chǎn)生了電場(chǎng)高度增強(qiáng)的熱點(diǎn)。當(dāng)偏振方向垂直于一維LIPSS方向的光入射時(shí)，增強(qiáng)效果最大。如圖3(b)所示。在一維LIPSS中，納米槽的側(cè)壁周期性地產(chǎn)生熱點(diǎn)，并周期性地?zé)g側(cè)壁以生成二維LIPSS，如圖3(c)所示。

圖3：二維LIPSS形成機(jī)理示意圖:(a)爆發(fā)中最初的兩個(gè)內(nèi)脈沖產(chǎn)生一維 LIPSS， (b)第三個(gè)和隨后偏振方向垂直于一維 LIPSS的內(nèi)脈沖產(chǎn)生熱點(diǎn)，(c)熱點(diǎn)周期性地?zé)g側(cè)壁以產(chǎn)生二維 LIPSS。(d)實(shí)際由GHz處理生成的二維LIPSS示意圖。

在對(duì)晶體硅的試驗(yàn)中，GHz脈沖不僅能夠產(chǎn)生垂直于激光偏振的一維結(jié)構(gòu)，即單脈沖模式下的激光所產(chǎn)生的那種結(jié)構(gòu)，而且還能產(chǎn)生平行于偏振的其他周期結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生二維晶格圖案。

圖4：GHz飛秒激光脈沖創(chuàng)建獨(dú)特的二維周期表面結(jié)構(gòu)，平行和垂直于激光偏振方向。圖片來(lái)源:日本理化學(xué)研究所(RIKEN)

圖5顯示了一維LIPSS中納米溝槽電場(chǎng)增強(qiáng)的模擬結(jié)果。很明顯，增強(qiáng)并不是沿著納米溝槽恒定的(圖5(a))。周期性地獲得最高的電場(chǎng)，產(chǎn)生電場(chǎng)增強(qiáng)5倍以上的熱點(diǎn)。從圖5(b)可以看出，納米槽側(cè)壁頂部的電場(chǎng)最大，底部的電場(chǎng)也得到了較強(qiáng)的增強(qiáng)。因此，研究人員認(rèn)為消融發(fā)生在納米槽的頂部和底部，從而產(chǎn)生了二維LIPSS。

圖5：當(dāng)1030 nm fs激光以正入射到具有周期性納米溝槽(寬度為250 nm，深度為700 nm，周期為760 nm)的一維LIPSS上時(shí)，在平行平面(a)和垂直平面(b)電場(chǎng)增強(qiáng)的模擬結(jié)果。激光偏振方向與一維LIPSS方向垂直。

圖6(a)和(b)分別為P= 3和N= 50 GHz脈沖處理的硅的SEM圖像，脈沖內(nèi)強(qiáng)度呈平緩和負(fù)傾斜分布。對(duì)于負(fù)傾斜分布，第二次和第三次脈沖的強(qiáng)度分別調(diào)整為第一次脈沖的73%和50%。顯然，與平面分布相比，負(fù)傾斜分布可以抑制熔化，從而創(chuàng)建更好的二維 LIPSS。這一結(jié)果支持了基于熱點(diǎn)的二維LIPSS形成機(jī)制。這些結(jié)果表明，在一維LIPSS中，熱點(diǎn)不能燒蝕脊的整個(gè)寬度，而是使脊變窄。與此同時(shí)，側(cè)壁的其他部分熔化在一起，形成了晶格結(jié)構(gòu)。更精確的GHz脈沖包絡(luò)將進(jìn)一步提高二維 LIPSS的質(zhì)量。

圖6：P = 3、N = 50 GHz脈沖模式在不同脈沖下的形貌掃描電鏡圖(左)為脈沖內(nèi)通量為128 mJ cm?2的平坦分布，(右)為第1脈沖內(nèi)通量為146 mJ cm?2的負(fù)傾斜分布。飛秒激光脈沖在205ps下的時(shí)間間隔是恒定的。

研究人員應(yīng)用GHz飛秒激光處理來(lái)形成LIPSS，以研究其創(chuàng)造獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)的能力。具體來(lái)說(shuō)，在GHz脈沖中通過(guò)第一和第二脈沖在硅上形成了規(guī)則的一維LIPSS。然后，在一維LIPSS納米溝槽中通過(guò)第三次和后續(xù)的內(nèi)脈沖產(chǎn)生電場(chǎng)高度增強(qiáng)的周期性熱點(diǎn)，形成二維LIPSS。在一維LIPSS上對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)的模擬驗(yàn)證了所提機(jī)制的有效性。此外，由于對(duì)流流動(dòng)等流體力學(xué)效應(yīng)，電場(chǎng)增強(qiáng)引起的表面熔化決定了二維LIPSS的最終結(jié)構(gòu)。然而，需要進(jìn)一步的研究來(lái)探索確切的機(jī)制?；谶@一假設(shè)，研究人員通過(guò)設(shè)定GHz脈沖的分布，使三個(gè)內(nèi)脈沖的強(qiáng)度逐漸降低，成功地創(chuàng)建了更明確的二維LIPSS。研究人員的研究結(jié)果表明，GHz飛秒激光脈沖不僅為消融和其他類型的處理提供了獨(dú)特的特性，例如LIPSS形成，為微納米制造開辟了新的途徑。

理化研究所的Koji Sugioka說(shuō):“這一結(jié)果可能為除燒蝕外的處理提供了GHz突發(fā)模式的新可能性，包括微鍵合、結(jié)晶、拋光、雙光子聚合和內(nèi)部光波導(dǎo)寫入。”“研究人員相信GHz脈沖模式將為飛秒激光處理開辟新的途徑。”

文章來(lái)源：

http://www.ijemnet.com/en/article/doi/10.1088/2631-7990/acb133

https://optics.org/news/14/1/42