Micro- et nanofabrication
Nanostructuration de surface
Plusieurs techniques laser structurent précisément métaux, semiconducteurs, verres et autres surfaces aux échelles micro et nano.
Présentation
Ce que recouvre la nanostructuration de surface
La nanotechnologie et les lasers figurent parmi les domaines de recherche et de technologie les plus aboutis et les plus actifs des dernières décennies et offrent un grand potentiel lorsqu’ils sont associés. Plusieurs techniques laser permettent la nanostructuration de surface du métal, du semiconducteur, voire du verre, ensuite employées dans la détection, l’imagerie, l’énergie solaire et la biomédecine. De telles techniques laser comprennent, sans s’y limiter, la formation de structures périodiques de surface induites par laser (LIPSS), la lithographie par interférence laser (LIL) et la structuration par interférence laser directe (DLIP).
LIPSS
La formation de LIPSS, également connues sous le nom d’ondulations ou de nano-ondulations, est une technique d’écriture laser directe pour la fabrication de nanostructures de type réseau. Les LIPSS proviennent de l’interférence de la lumière laser incidente/réfractée avec la lumière diffusée ou diffractée près de la surface. La technique a suscité un fort intérêt en raison de sa simplicité et de sa robustesse, car sa fabrication peut être réalisée à l’air ambiant et est pleinement compatible avec les exigences industrielles de coût, de fiabilité et de productivité. Selon les matériaux choisis et les conditions d’irradiation, le traitement des LIPSS permet divers types de fonctionnalisation de surface via différentes périodes, allant de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs micromètres.
LIL et DLIP
LIL et DLIP reposent sur l’interférence laser de la lumière laser incidente. Deux faisceaux laser ou plus sont superposés dans les domaines spatial et temporel, créant une figure d’interférence dont la période peut descendre à une échelle sub-longueur d’onde. En LIL, la figure est d’abord enregistrée dans un milieu photosensible, puis transférée dans le matériau d’intérêt. À l’inverse, DLIP permet une structuration directe du matériau. Dans les bonnes conditions d’irradiation, la surface est fondue, voire ablatée, aux pics d’intensité. Compte tenu de la largeur spectrale intrinsèquement grande des impulsions laser ultracourtes et de son impact sur les figures d’interférence résultantes, les techniques LIL et DLIP sont souvent limitées à des durées d’impulsion dans le domaine des ps ou plus longues. Cela n’est toutefois pas un problème grâce à l’accordabilité de la durée d’impulsion jusqu’à 20 ps – une caractéristique des lasers femtoseconde CARBIDE et PHAROS.
Choix d’une technique
Lors du choix de la technique, plusieurs aspects doivent être pris en compte. En LIL et DLIP, la période de la figure d’interférence est contrôlée par la longueur d’onde de l’irradiation laser et l’angle d’incidence entre les faisceaux interférents. Toutefois, la période minimale est limitée par la limite de diffraction optique. Ainsi, si une taille de motif inférieure à 100 nm est souhaitée, il convient de recourir aux LIPSS. Un autre aspect est la profondeur de modulation du motif nanostructuré. La profondeur du motif DLIP peut être contrôlée indépendamment par l’énergie d’impulsion laser et le nombre d’impulsions appliquées. Même si une relation similaire est attendue pour les LIPSS, elle est généralement plus difficile à contrôler. Les structures DLIP peuvent présenter des profondeurs de modulation et une régularité nettement plus grandes sur une grande surface.
Fabrication de capteurs SERS
Fabrication de capteurs SERS. Image SEM de la surface Ti-6Al-4V (TC4) après irradiation par un balayage laser progressif.
Où les surfaces nanostructurées sont utilisées
Les surfaces nanostructurées sont largement utilisées en détection, par exemple en spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS), où une surface métallique rendue rugueuse exalte la diffusion Raman des molécules d’analyte adsorbées de plusieurs ordres de grandeur. Les matériaux nanostructurés, tels que le silicium noir, ont également trouvé un intérêt dans les photodétecteurs et les cellules solaires. Les pointes de silicium micrométriques piègent la lumière incidente, fournissant ensuite une absorptance élevée dans les domaines spectraux visible et infrarouge. En outre, les LIPSS et d’autres techniques de nanostructuration permettent d’obtenir des surfaces hydrophobes et hydrophiles pour l’ingénierie automobile et aérospatiale, des surfaces antibactériennes et répulsives pour les cellules ou stimulantes pour les cellules destinées aux applications médicales, ainsi que de nombreuses autres applications. Les lasers femtoseconde CARBIDE et PHAROS sont largement utilisés pour ces techniques de nanostructuration de surface.
