科学家揭开硅上激光诱导周期性表面结构的秘密

【蜂耘网   激光光学】我们日常使用的电子和光学设备，如移动电话、LED和太阳能电池，使用的晶体管和其他成分不断变得更小、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。

为电子设备生产如此小的部件需要加工和制备亚微米尺度的结构，最多可以比人类头发的宽度小数百倍。但目前的纳米表面加工方法使用的是光刻和电子束光刻--这些方法复杂、极其昂贵，通常无法进入，而且需要高水平的专业知识。

激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）已被指定为这些方法的一个新的和有前景的替代方法。在LIPSS中，飞秒激光器被用来提供超短的激光脉冲，从而在表面上自发地形成比激光波长小得多的周期性图案。

LIPSS中一个众所周知的参数是激光波长的选择，它直接影响到所形成结构的周期性。然而，其他参数仍然是未知的。关于LIPSS的标准化使用的主要关注点包括形成的表面结构的质量，即基材的结晶度、潜在的缺陷和应变。为了始终如一地生产出具有可控性能和特点的LIPSS，以满足特定的应用，关键是要了解哪种激光源应该用于哪种特定的需求。

通过对激光特性的适当选择，激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）可以通过操纵其缺陷、应变和周期性，为特定的应用进行调整和定制。资料来源：名古屋工业大学的Reina Miyagawa

为了更深入地回答这些问题，一个由名古屋工业大学的科学家领导的日本研究合作，现在已经直接调查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，同时还有大阪大学的Norimasa Ozaki副教授和东海大学的Masaki Hashida教授，后者也是京都大学的一名研究员。他们的研究结果已经发表在《科学报告》杂志上。

研究人员们解释说："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一种材料，如晶体管、移动电话和太阳能电池。"

研究人员在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0.8微米的钛和蓝宝石（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11.4微米的自由电子激光器，这可以在低于样品带隙能量的能量下探测效果。对LIPSS样品的分析是在显微镜和宏观上进行的。使用透射电子显微镜（TEM）研究了微观的结晶度和纯度，而使用同步辐射高能X射线衍射（XRD）研究了更宏观的应变和广义结构的稳定性分析。

"当使用Ti:Sapphire激光时，观察到的LIPSS保留了硅的高度结晶性，但似乎承担了一些残余的应变。相反，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，"宫川博士补充说。

这项研究构成了第一份关于使用同步辐射高能X射线衍射技术对LIPSS的结晶性进行高分辨率、微观和宏观观察的报告。研究结果表明，LIPSS如何通过选择适当的激光器来操纵其缺陷、应变和周期性，从而为特定的应用进行调整和定制。沿着这些思路继续研究，可以进一步打开LIPSS广泛应用的途径，以实现低成本、简单、易得的纳米结构表面的制造，应用于广泛的光电设备。

（蜂耘激光光学网   责任编辑：行云）