微細・ナノ加工
表面ナノ構造化
いくつかのレーザー手法で金属・半導体・ガラスなどの表面を精密に微細・ナノ構造化できる。
製品紹介
表面ナノ構造化がカバーする範囲
ナノテクノロジーとレーザーは、過去数十年でもっとも成功し活発な研究・技術分野の一つであり、両者を融合すると大きな可能性が得られる。いくつかのレーザーベースの手法により、金属、半導体、あるいはガラスの表面ナノ構造化が可能となり、それらはセンシング、イメージング、太陽エネルギー、生物医学に用いられる。そのようなレーザーベースの手法には、レーザー誘起周期表面構造（LIPSS）、レーザー干渉リソグラフィ（LIL）、および直接レーザー干渉パターニング（DLIP）の形成が含まれるが、これらに限られない。
LIPSS
LIPSS（リップルまたはナノリップルとも呼ばれる）の形成は、格子状ナノ構造を製造する直接レーザー描画手法である。LIPSSは、入射／屈折レーザー光と表面近傍の散乱光または回折光との干渉に由来する。製造を周囲大気中で行え、コスト、信頼性、生産性に関する産業上の要求と完全に両立するため、その単純さと堅牢さから大きな関心を集めている。選択した材料および照射条件に応じて、LIPSSの加工は、数十ナノメートルから数マイクロメートルにわたる異なる周期を通じて、さまざまな種類の表面機能化を可能にする。
LILおよびDLIP
LILおよびDLIPは、入射レーザー光のレーザー干渉に依拠する。2本以上のレーザービームを空間および時間領域で重ね合わせ、周期がサブ波長スケールにまで至る干渉パターンを生成する。LILでは、パターンをまず感光媒体に記録し、その後、対象材料へと転写する。対照的に、DLIPは材料の直接構造化を可能にする。適切な照射条件では、強度のピークにおいて表面が溶融し、あるいはアブレーションさえ受ける。超短レーザーパルスに固有の大きなスペクトル帯域幅と、それが生じる干渉パターンに及ぼす影響を考えると、LILおよびDLIP手法はしばしばps領域またはそれより長いパルス幅に制限される。しかし、パルス幅を最大20 psまで調整できること——これはCARBIDEおよびPHAROSフェムト秒レーザーの特徴である——があれば、これは問題とならない。
手法の選択
手法を選ぶ際には、いくつかの側面を考慮する必要がある。LILおよびDLIPでは、干渉パターンの周期はレーザー照射の波長と、干渉するビーム間の入射角によって制御される。しかし、最小周期は光学的回折限界によって制限される。したがって、サブ100 nmの特徴寸法が望ましい場合には、LIPSSを用いるべきである。もう一つの側面は、ナノ構造化パターンの変調深さである。DLIPパターンの深さは、レーザーパルスエネルギーと印加パルス数によって独立に制御できる。LIPSSについても類似の関係が期待されるが、制御は通常より困難である。DLIP構造は、大面積にわたって有意に大きな変調深さと規則性をもち得る。
SERSセンサーの作製
SERSセンサーの作製。段階的なレーザースキャン照射後のTi-6Al-4V（TC4）表面のSEM像。
ナノ構造化表面の用途
ナノ構造化表面はセンシングに広く用いられ、たとえば表面増強ラマン分光（SERS）では、粗面化した金属表面が吸着した分析対象分子のラマン散乱を数桁増強する。また、ブラックシリコンなどのナノ構造化材料は、光検出器および太陽電池において関心を集めている。マイクロメートルスケールのシリコンスパイクが入射光を閉じ込め、その結果、可視および赤外スペクトル域で高い吸収率を与える。さらに、LIPSSおよびその他のナノ構造化手法は、自動車および航空宇宙工学向けの疎水性および親水性表面、医療用途向けの抗菌性ならびに細胞忌避または細胞刺激表面、およびその他多くの応用を可能にする。CARBIDEおよびPHAROSフェムト秒レーザーは、これらの表面ナノ構造化手法に広く用いられる。
