التصنيع الميكروي والنانوي
النانوْهيكلة السطحية
عدة تقنيات ليزرية تُمكّن من هيكلة دقيقة بالمقياس الميكروي والنانوي لأسطح المعادن وأشباه الموصلات والزجاج وغيرها.
مقدمة المنتج
ما الذي تغطيه هيكلة السطح النانوية
تُعد تقنية النانو والليزرات من أنجح مجالات البحث والتقنية وأكثرها نشاطًا في العقود الماضية، وتوفّر إمكانات كبيرة عند دمجهما معًا. وتتيح عدة تقنيات قائمة على الليزر هيكلة نانوية لأسطح المعدن أو شبه الموصل أو حتى الزجاج، ثم تُوظَّف في الاستشعار والتصوير والطاقة الشمسية والطب الحيوي. وتشمل هذه التقنيات الليزرية — دون حصر — تكوّن بنى سطحية دورية يُحدثها الليزر (LIPSS) والطباعة الحجرية بالتداخل الليزري (LIL) والتنميط بالتداخل الليزري المباشر (DLIP).
LIPSS
تكوّن LIPSS، المعروفة أيضًا بالتموجات أو التموجات النانوية، تقنية كتابة بالليزر المباشر لتصنيع بنى نانوية شبيهة بالشبكة الحيودية. وتنشأ LIPSS من تداخل ضوء الليزر الساقط/المنكسر مع الضوء المتبعثر أو المحيد قرب السطح. وقد نالت التقنية اهتمامًا واسعًا لبساطتها ومتانتها إذ يمكن تنفيذ التصنيع في الهواء المحيط وهي متوافقة تمامًا مع المتطلبات الصناعية للتكلفة والموثوقية والإنتاجية. وبحسب المواد المختارة وظروف التشعيع، يتيح معالجة LIPSS أنواعًا شتى من وظيفية السطح عبر دورات مختلفة، تتراوح من بضع عشرات من النانومترات إلى عدة ميكرومترات.
LIL وDLIP
تعتمد LIL وDLIP على تداخل ضوء الليزر الساقط. وتُراكب حزمتان ليزريتان أو أكثر في المجالين المكاني والزمني، فينشأ نمط تداخل يمكن أن تصل دورته إلى مقياس دون طول الموجة. وفي LIL يُسجَّل النمط أولًا في وسط حسّاس للضوء ثم يُنقل إلى المادة المستهدفة. وعلى العكس، تتيح DLIP هيكلة مباشرة للمادة. وعند ظروف التشعيع المناسبة، ينصهر السطح أو حتى يُستأصل عند قمم الشدة. ونظرًا إلى العرض الطيفي الكبير بطبيعته لنبضات الليزر فائقة القصر وأثره في أنماط التداخل الناتجة، كثيرًا ما تقتصر تقنيتا LIL وDLIP على مدد نبض في نطاق ps أو أطول. غير أن ذلك لا يشكّل مشكلة مع قابلية ضبط مدة النبضة حتى 20 ps – وهي ميزة في ليزرات الفمتوثانية CARBIDE وPHAROS.
اختيار التقنية
عند اختيار التقنية، ينبغي مراعاة عدة جوانب. ففي LIL وDLIP تُضبط دورة نمط التداخل بطول موجة التشعيع الليزري وزاوية السقوط بين الحزم المتداخلة. غير أن الحد الأدنى للدورة مقيَّد بحد الحيود البصري. لذا إذا كان المطلوب حجم ميزة دون 100 nm، فينبغي اعتماد LIPSS. وجانب آخر هو عمق تعديل النمط ذي الهيكلة النانوية. ويمكن التحكم في عمق نمط DLIP بشكل مستقل عبر طاقة نبضة الليزر وعدد النبضات المطبّقة. ورغم أن علاقة مشابهة متوقعة لـ LIPSS، فإن التحكم فيها عادة أصعب. ويمكن أن تتمتع بنى DLIP بأعماق تعديل وانتظام أكبر بكثير على مساحة واسعة.
تصنيع مستشعر SERS
تصنيع مستشعر SERS. صورة SEM لسطح Ti-6Al-4V (TC4) بعد التشعيع بمسح ليزري تدريجي.
أين تُستخدم الأسطح ذات الهيكلة النانوية
تُستخدم الأسطح ذات الهيكلة النانوية على نطاق واسع في الاستشعار، مثل التحليل الطيفي لرامان المعزَّز سطحيًا (SERS)، حيث يعزّز سطح معدني مخشَّن تبعثر رامان لجزيئات المادة المراد تحليلها الممتزّة بعدة رتب أسية. كذلك نالت المواد ذات الهيكلة النانوية، مثل السيليكون الأسود، اهتمامًا في الكواشف الضوئية والخلايا الشمسية. وتحتجز نتوءات السيليكون الميكرومترية الضوء الساقط، فتوفّر من ثم امتصاصية عالية في النطاقين الطيفيين المرئي وتحت الأحمر. علاوة على ذلك، تتيح LIPSS وتقنيات هيكلة نانوية أخرى أسطحًا كارهة للماء ومحبّة للماء لهندسة السيارات والفضاء، وأسطحًا مضادة للبكتيريا وطاردة للخلايا أو محفّزة للخلايا للتطبيقات الطبية، وكثيرًا من التطبيقات الأخرى. وتُستخدم ليزرات الفمتوثانية CARBIDE وPHAROS على نطاق واسع في تقنيات هيكلة السطح النانوية هذه.
