說(shuō)明 | 本文來(lái)自論文作者（課題組）投稿

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，激光加工在新型微納結(jié)構(gòu)和功能材料制備領(lǐng)域的重要性與日俱增。飛秒激光由于其超快超強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已成為這一新型加工領(lǐng)域的“利器”。目前，飛秒激光微納加工領(lǐng)域有很多的研究熱點(diǎn)。比如，雙光子聚合、透明材料內(nèi)部激光直寫(xiě)光子學(xué)微納結(jié)構(gòu)、材料表面自組織微納結(jié)構(gòu)等。

飛秒激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)(Laser-induced periodicsurface structures, LIPSS)一直是超快激光微納加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。它在表面著色、光存儲(chǔ)、摩檫潤(rùn)滑學(xué)和太陽(yáng)能高效利用等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 在藍(lán)寶石襯底上的硅薄膜表面，利激光直寫(xiě)輔助激光誘導(dǎo)自組織形成納米光柵藝術(shù)效果圖

對(duì)于周期接近入射激光波長(zhǎng)的形成機(jī)制，通常認(rèn)為是表面等離激元和入射光干涉，從而導(dǎo)致周期性材料燒蝕。雖然利用時(shí)空脈沖整形，或基于超高重復(fù)頻率的燒蝕冷卻等技術(shù)可以制備非常規(guī)則的周期性表面結(jié)構(gòu)，但激光照射形成的燒蝕坑可深至百納米至數(shù)微米，因此利用激光燒蝕的方法不適合在光學(xué)薄膜表面制備周期性結(jié)構(gòu)。

為了克服這一問(wèn)題，近日，來(lái)自西湖大學(xué)的研究人員演示了利用低能量激光誘導(dǎo)氧化，實(shí)現(xiàn)硅薄膜表面大面積規(guī)則納米光柵的單次曝光成形。更進(jìn)一步，他們提出并實(shí)現(xiàn)了利用“人工種子”提升納米光柵規(guī)整度的技術(shù)。

他們的研究表明，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的周期性結(jié)構(gòu)，其形成機(jī)理與傳統(tǒng)的表面等離激元增強(qiáng)的燒蝕完全不同，有待進(jìn)一步深入研究。

相關(guān)研究成果以“Controllable generation of large-scale highly-regular gratings on Si films”為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。

非線性局域正反饋

研究人員在研究硅薄膜的弱光非線性時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)在能量密度低于其燒蝕閾值一個(gè)數(shù)量級(jí)的飛秒激光照射一段時(shí)間后，形成了非常整齊的周期性條紋，如圖2(a)所示。當(dāng)入射激光為矢量光時(shí)，也可以嚴(yán)格按照偏振方向形成復(fù)雜的兩維圖案，如圖2(b)所示。它們的規(guī)整度明顯超過(guò)文獻(xiàn)中報(bào)道的基于燒蝕產(chǎn)生的自組織周期性納米條紋。

圖2. 單束(a)線偏振和(b)矢量飛秒激光在硅薄膜上誘導(dǎo)產(chǎn)生的納米光柵掃描電鏡圖。

圖2中納米條紋周期略小于入射光波長(zhǎng)。更為有趣的是，其取向平行于激光偏振方向。而對(duì)于高吸收的材料如金屬和半導(dǎo)體，文獻(xiàn)中廣泛報(bào)道的是條紋取向垂直于激光偏振。利用高分辨掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線光譜儀(EDX)、原子力顯微鏡(AFM)、聚焦離子束(FIB)等微納測(cè)試和表征手段研究后，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種整齊的納米光柵的深度超過(guò)200 nm。他們是由于飛秒激光誘導(dǎo)周期性氧化導(dǎo)致的，如圖3(a)和圖3(b)所示。由于氧化過(guò)程使用的能量非常低，所以產(chǎn)生的熱量殘余遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燒蝕效應(yīng)。此外，氧化過(guò)程是把氧分子注入到材料中，不會(huì)有大量的燒蝕碎屑噴出。因此，利用氧化反應(yīng)誘導(dǎo)自組織完美地同時(shí)解決了熱量殘余和燒蝕碎屑的問(wèn)題。

圖3. (a)利用聚焦離子束切開(kāi)納米光柵觀察其剖面圖。(b)利用能量色散X射線光譜儀分析納米光柵中的氧元素分布。

為了深入理解這種氧化納米光柵的形成機(jī)理，研究人員在顯微鏡下原位拍攝了其生長(zhǎng)過(guò)程，如圖4所示。從中可以清晰地看出，納米光柵是由一個(gè)小顆粒逐漸長(zhǎng)大形成的。

圖4. 在光學(xué)顯微鏡下原位觀察納米光柵的形成過(guò)程。

進(jìn)一步分析納米光柵形成的初始狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)形成的氧化物納米顆粒，其散射光與入射光發(fā)生干涉，在薄膜表面形成周期性的干涉圖案。從圖5(a)的干涉圖案來(lái)看，同時(shí)存在平行和垂直于偏振方向的表面電磁波。因此，顆粒周?chē)慕鼒?chǎng)分布對(duì)于最終光柵的取向尤為重要。如圖5(b)所示，納米顆粒沿偏振方向的兩側(cè)電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，因此，納米顆粒會(huì)沿著偏振方向逐漸延長(zhǎng)成氧化物納米棒。這種近場(chǎng)效應(yīng)在以往的激光誘導(dǎo)自組織周期性結(jié)構(gòu)的研究中是被忽視的。

圖5. 硅膜表面形成氧化物納米顆粒后，其散射光與入射光發(fā)生干涉，在硅膜表面形成干涉圖案。(a)和(b)分別是SEM電鏡拍攝和數(shù)值模擬得到的干涉圖案。

當(dāng)然，激光作用初始階段，會(huì)形成大量隨機(jī)的氧化物納米顆粒。但是，尺寸越大的顆粒，其近場(chǎng)增強(qiáng)越強(qiáng)，從而導(dǎo)致顆粒生長(zhǎng)越快，形成一個(gè)正反饋過(guò)程，如圖6所示。研究人員將這個(gè)正反饋稱(chēng)為光場(chǎng)局域?qū)е碌姆蔷€性競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)(Optical localization-inducednonlinear competition, O-LINC)，該效應(yīng)可確保在很大的光斑范圍內(nèi)，只有一個(gè)納米顆粒作為有效的種子誘導(dǎo)形成周期性結(jié)構(gòu)。

圖6. 條紋生長(zhǎng)過(guò)程非線性反饋示意圖。

人工種子

雖然自組織形成的納米光柵整體較為有序，但在局部還是出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，更進(jìn)一步，研究人員利用一束連續(xù)激光在硅膜表面誘導(dǎo)氧化形成一條非常準(zhǔn)直的“人工種子結(jié)構(gòu)”，如圖7所示。偏振沿“人工種子”方向的飛秒激光照射后，在種子內(nèi)率先形成氧化物納米棒，如圖7(a)所示。隨后，在種子的兩側(cè)規(guī)則有序地逐漸形成周期性的光柵結(jié)構(gòu)。利用人工種子誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)的形成，實(shí)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)自組織過(guò)程的相對(duì)可控。

圖7. 利用“人工氧化物種子”提升自組織周期性結(jié)構(gòu)規(guī)整度。

該研究工作指出，飛秒激光誘導(dǎo)薄膜上形成的氧化納米光柵，其基本參數(shù)，如取向、周期、深度和入射光波長(zhǎng)、入射角乃至薄膜厚度、襯底材料之間的關(guān)系，有待進(jìn)一步深入研究。

論文信息

Jiao Geng, Xiaoguo Fang, Lei Zhang, Guangnan Yao, Liye Xu, Fengjiang Liu, Weiwei Tang, Liping Shi, Min Qiu. Controllable generation of large-scale highly regular gratings on Si films[J]. Light: Advanced Manufacturing. 

本文第一作者為西湖大學(xué)工學(xué)院耿嬌博士，西湖大學(xué)石理平博士和仇旻教授為共同通訊作者。

論文地址

https://doi.org/10.37188/lam.2021.022

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編輯 | 趙陽(yáng)

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