揭开硅上激光诱导的周期性表面结构的秘密

我们日常使用的电子和光学设备，如手机、LED和太阳能电池，使用的是晶体管和其他组件，这些组件正在变得更小、更紧凑。随着对计算能力、存储和能源效率的需求不断增长，这种趋势只会继续发展到新的极致。

为电子设备生产这种小部件，需要具备加工亚微米级结构的能力，这种级别的规格要比人类头发宽度还要小数百倍。但目前的表面纳米制造方法使用的是光刻和电子束光刻技术，这些方法复杂、极其昂贵，通常无法实现，并且需要很高水平的专业知识。

激光诱导周期性表面结构（LIPSS），已被业界认为是上述这些方法的一种新的和有前景的替代方法。在LIPSS中，飞秒激光用于传输超短激光脉冲，这些脉冲自发地在材料表面上形成比激光波长小得多的周期性图案。

科学家通过使用钛宝石激光器和中红外自由电子激光器来构造硅，
证明了激光诱导周期表面结构是如何随激光器的性能而变化的

在LIPSS中，一个众所周知的参数是激光波长的选择，它直接影响到形成结构的周期性。然而，其他参数的变量影响仍然需要进一步研究。关于LIPSS的标准化使用的主要关注点，包括形成的表面结构质量即基材的结晶度、潜在缺陷和应变。为了始终如一地生产出具有可控性能和特点的LIPSS，用于特定的应用，关键是要了解哪种激光源应该用于哪种特定的需要。

为了更深入地回答这些问题，一项由名古屋工业大学的科学家领导的日本研究合作，现在已经直接研究了受激光选择影响的各种参数。这项工作与大阪大学、东海大学、京都大学和日本原子能机构（JAEA）合作，由名古屋工业大学的Reina Miyagawa助理教授领导。他们的研究结果已经发表在《科学报告》杂志上。

“在我们的研究中，我们选择了硅作为基底，因为它是世界上许多光电设备中使用的材料，如晶体管、移动电话和太阳能电池。”Miyagawa教授解释说。研究人员在硅衬底上使用了两种不同的飞秒激光器。在一个实验中，一个脉冲为0.8μm的钛和蓝宝石（Ti:Sapphire）激光系统被用来在高于带隙能量的能量下构造硅。

在另一个实验中，研究人员使用了一个中红外脉冲为11.4μm的自由电子激光器，这可以在低于样品带隙能量的能量下探测效果。同时，研究团队还对LIPSS样品分别进行了微观和宏观分析。团队成员使用透射电子显微镜（TEM）研究了样品的微观层面的结晶度和纯度，而使用同步辐射高能X射线衍射（XRD）研究了样品在宏观层面的的应变和更广泛的稳定性结构。

Miyagawa教授谈到：“观察到的LIPSS保持了硅的高度结晶性，但似乎呈现出一些残余应变。相比之下，由中红外自由电子激光器形成的LIPSS导致了一些明显可见的缺陷。然而，该系统没有任何可观察到的应变。”

这项研究是业界首次使用同步加速器高能X射线衍射，对LIPSS结晶度进行高分辨率、微观和宏观观察的报告。研究结果表明，LIPSS是如何通过适当选择激光器来调节缺陷、应变和周期性，从而针对特定应用进行调整和定制。沿着这些路线的继续研究，可以进一步打开未来LIPSS的应用道路，以实现纳米结构表面的成本效益、简单和可行性，从而用于更广泛的光电子器件制造。

作者：Reina Miyagawa（名古屋工业大学物理科学和工程系）、Daisuke Kamibayashi（大阪大学工程研究生院）等

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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